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The diploma thesis deals with an engineering design, a realization and a calibration of a apparatus for surface texturing of test samples. Microdents are produced by a diamond tool pressing. Electromagnetic linear actuator is used for pressing. Translation and rotation of the sample are secured by a couple of stepping motors. Thanks to this the apparatus can produce texture with well defined and easily controlled geometry. The diploma thesis contains a summary of surface texturing methods, designs of constructional variations, a electronic device of the apparatus and the calibration are also included.

O objetivo deste trabalho foi identificar a influência das condições de usinagem sobre o acabamento superficial no faceamento de uma liga de alumínio com ferramenta de diamante. Os parâmetros de corte variados foram: velocidade de corte, avanço e profundidade de corte. De acordo com a bibliografia consultada apenas o avanço e o raio de ponta da ferramenta afetam diretamente o acabamento superficial, sendo que quanto menor o avanço e maior o raio de ponta melhor será o resultado em termos de rugosidade superficial. A profundidade de corte é dita apenas influenciar na força de corte e não no acabamento. Outro parâmetro de corte que segundo a bibliografia não apresenta influência seria a velocidade de corte, sendo que sua variação não afeta os resultados de acabamento superficial. Os ensaios demonstraram que dentre as condições de corte estudadas o avanço é o parâmetro de maior influência, com os menores valores de rugosidade obtidos para um avanço de 2 &#956m/rev. A profundidade de corte apresentou pouca influência no acabamento, apresentando um efeito previsto pela literatura, o \"size effect\", a uma profundidade de corte de 3 &#956m, e a velocidade de corte não apresentou influência. A liga de alumínio testada foi a 7075-T6. Utilizou-se uma ferramenta de diamante monocristalino nova com raio de ponta de 1.524 mm e ângulos de folga e de saída de 11º e 0º, respectivamente. / The objective of this work was to identify the influence of the cutting conditions on surface roughness of an aluminum alloy faced with a single-point diamond tool. The cutting parameters to be varied were: feedrate, depth of cut and cutting speed. According to the literature, only the feedrate and the tool nose radius have direct influence on surface roughness, in the following way: The lower the feedrate and the greater the nose radius, the better the surface roughness. The depth of cut is said only to influence on the cutting forces and do not affect the surface roughness. The cutting speed also has no influence on surface roughness, according to the literature. Experimental investigation has demonstrated that, among the tested cutting conditions, the feedrate has the most influence with low values of surface roughness obtained at a feedrate of 2 &#956m/rev. The depth of cut has very little influence on the surface finish. lt just showed an effect foreseen by the literature, the size effect, at a depth of cut of 3 &#956m and the cutting speed has not showed any influence. The aluminum alloy investigated was 7075-T6. A fresh diamond tool was used, with a nose radius of 1.524 mm and 11º and 0º clearance and rake angle, respectively.

O objetivo deste trabalho foi identificar a influência das condições de usinagem sobre o acabamento superficial no faceamento de uma liga de alumínio com ferramenta de diamante. Os parâmetros de corte variados foram: velocidade de corte, avanço e profundidade de corte. De acordo com a bibliografia consultada apenas o avanço e o raio de ponta da ferramenta afetam diretamente o acabamento superficial, sendo que quanto menor o avanço e maior o raio de ponta melhor será o resultado em termos de rugosidade superficial. A profundidade de corte é dita apenas influenciar na força de corte e não no acabamento. Outro parâmetro de corte que segundo a bibliografia não apresenta influência seria a velocidade de corte, sendo que sua variação não afeta os resultados de acabamento superficial. Os ensaios demonstraram que dentre as condições de corte estudadas o avanço é o parâmetro de maior influência, com os menores valores de rugosidade obtidos para um avanço de 2 &#956m/rev. A profundidade de corte apresentou pouca influência no acabamento, apresentando um efeito previsto pela literatura, o \"size effect\", a uma profundidade de corte de 3 &#956m, e a velocidade de corte não apresentou influência. A liga de alumínio testada foi a 7075-T6. Utilizou-se uma ferramenta de diamante monocristalino nova com raio de ponta de 1.524 mm e ângulos de folga e de saída de 11º e 0º, respectivamente. / The objective of this work was to identify the influence of the cutting conditions on surface roughness of an aluminum alloy faced with a single-point diamond tool. The cutting parameters to be varied were: feedrate, depth of cut and cutting speed. According to the literature, only the feedrate and the tool nose radius have direct influence on surface roughness, in the following way: The lower the feedrate and the greater the nose radius, the better the surface roughness. The depth of cut is said only to influence on the cutting forces and do not affect the surface roughness. The cutting speed also has no influence on surface roughness, according to the literature. Experimental investigation has demonstrated that, among the tested cutting conditions, the feedrate has the most influence with low values of surface roughness obtained at a feedrate of 2 &#956m/rev. The depth of cut has very little influence on the surface finish. lt just showed an effect foreseen by the literature, the size effect, at a depth of cut of 3 &#956m and the cutting speed has not showed any influence. The aluminum alloy investigated was 7075-T6. A fresh diamond tool was used, with a nose radius of 1.524 mm and 11º and 0º clearance and rake angle, respectively.

Germanium is a brittle semi-metal, used for lenses and windows in Thermal Imaging Systems since it transmits infrared energy in the 2 &micro / m - 12 &micro / m wavelength range at peak. In this thesis study, polycrystalline diamond is used as cutting tool material to machine germanium. Diamond is the hardest, most abrasion-resistant material and polycrystalline diamond is produced by compacting small diamond particles under high pressure and temperature conditions, which results more homogeneous, improved strength and a durable material. However, slightly reduced hardness is obtained when compared with natural diamond. Different from finish cutting, rough cutting, performed before finishing, is used to remove most of the work-piece material. During rough cutting, surface roughness is still an important concern, since it affects the finishing operations. Roughness of the surface of product is affected by a number of factors such as cutting speed, depth of cut, feed rate as cutting parameters, and also rake angle as tool geometry parameter. In the thesis, the optimum cutting and tool geometry parameters are investigated by experimental studies for rough cutting of germanium with polycrystalline diamond tools. Single Point Diamond Turning Machine is used for rough cutting, and the roughness values of the optical surfaces are measured by White Light Interferometer. Experiments are designed by making use of &ldquo / Full Factorial&rdquo / and &ldquo / Box-Behnken&rdquo / design methods at different levels considering cutting parameters as cutting speed, depth of cut, feed rate and tool geometry parameter as rake angle.

Particle-reinforced MMCs (pMMC) such as aluminum alloys reinforced with ceramic silicon carbide particles (AlSiC) require special cutting tools due to the high hardness and abrasive properties of the ceramic particles. Diamond coated cutting tools are ideal for machining this type of pMMC. Previous research studies focus on the machinability of pMMCs with low ceramic content. The aim of this research is to determine the optimal cutting parameters for machining AlSiC material containing high silicon carbide particle reinforcement (>25%). The optimal cutting parameters are determined by investigating the relationship between cutting forces, tool wear, burr formation, surface roughness, and material removal rate (MRR). Experimental milling tests are conducted using CVD diamond coated end mills and non-diamond tungsten carbide end mills. It was found that low tool rotation speeds, feed rates and depths of cut are necessary to achieve smoother surface finishes of R a < 1 μm. A high MRR to low tool wear and surface roughness ratio was obtainable at a tool rotation speed of 6500 r/min, feed rate of 762 mm/min and depth of cut of 3 mm. Results showed that a smooth surface roughness of the workpiece material was achieved with non-diamond tungsten carbide end mills, however, this was at the expense of extreme tool wear and high burr formation. The use of coolant caused a 50% increase in tool wear compared to the dry-cutting experiments which had lower cutting tool forces.

Neste trabalho, diferentes tipos de microestruturas foram geradas por torneamento com ferramenta de diamante de ponta única e microendentação para serem replicadas através da prensagem a quente. Testes foram realizados para ser avaliada a geração destas microestruturas por dois métodos distintos: microdeformação e microusinagem, planejados para observar a replicação gerada por marca de endentação Vickers (piramidal) e, remoção de material (torneamento com ferramenta de diamante de ponta única). Uma revisão no processo de manufatura aplicada para a replicação de microestruturas é apresentada. Os materiais usados como molde e réplica foram o cobre eletrolítico e o polimetilmetacrilato (PMMA), respectivamente. Inicialmente, a usinabilidade do cobre eletrolítico foi avaliada sob diferentes condições de corte, a fim de determinar parâmetros apropriados de torneamento para obter um fino revestimento de superfície final (rugosidade). Observou-se que para avanços (f) de 10 mícrons por revolução e profundidade de corte (ap) de 5 mícrons, a superfície apresentou um baixo valor de rugosidade, isto é, 2,81 nm para rugosidade média (Ra) e 13,4 nm para rugosidade teórica (Rt). Além disso, observou-se que a microestrutura do material mostrou-se de fundamental papel na rugosidade, por conta da recuperação elástica dos grãos devido a anisotropia da estrutura policristalina do cobre. As microestruturas geradas para a replicagem foram: a) lente esférica, b) perfil senoidal e sulcos concêntricos. Os resultados mostraram que é viável a reprodução, com boa conformidade das microestruturas, por meio de prensagem a quente. Observou-se que as bordas e as superfícies finas com rugosidade em torno de 10 nm rms foram bem replicadas. / In this work, different types of microstructures were generated by single point diamond turning and microindentation for will replicated through the hot embossing. Tests were carried to evaluate the generation these microstructures by two distinct methods: micro-deformation and micro-machining, planned to observe the replication of the mark generated by the Vickers indenter (Pyramidal) and the latter by material removal (single point diamond turning). A review on several manufacturing processes applied to replication of microfeatures, is presented. The materials used as mould and replication workpiece were electroless copper and polymethylmethacrylate (PMMA), respectively. Initially, the machinability of electroless copper was evaluated under different cutting conditions to determinate appropriate turning parameters to obtain very fine surface finish (roughness). It was observed that for f = 10 microns of revolution (feed rate) and ap = 5 microns (depth of cut), the surface presented the roughness’ lowest value, i.e., 2,81 nm to medium roughness (Ra) and 13,4 nm to theoretical roughness (Rt). Moreover, it was observed that the microstructure of the material plays a fundamental role on roughness, because of the elastic recovery of grains due to the anisotropy of the polycrystalline structure of copper. The microfeatures generated were the following: a) spherical lens, b) sinusoidal profile and concentrical grooves. The results showed that it is feasible to reproduce, with good agreement, the microfeatures by means of hot embossing. It was observed that thin edges and fine surfaces with roughness around 10 nm rms were well replicated.

Nos últimos anos, avanços consideráveis foram alcançados no estudo da usinabilidade de materiais frágeis tais como cristais semicondutores, vidros ópticos, cerâmicas, etc. em função da demanda por processos mais rápidos de fabricação de superfícies com formas complexas para aplicações nos campos da óptica e eletrônica. A ductilidade apresentada por monocristais de silício durante a usinagem tem sido explicada através das Teorias de Mecânica de Fratura. Recentemente, algumas teorias novas foram apresentadas para justificar esta ductilidade. Foi proposto que a ductilidade de monocristais semicondutores seria provavelmente o resultado final de uma transformação de fase induzida por pressão/tensão durante o corte. Neste trabalho, a diferença entre os modos dúctil e frágil no Torneamento com Ferramenta de Ponta Única de superfícies de silício monocristalino foram investigadas através da técnica de espalhamento Raman. Nas condições que proporcionam o regime dúctil, existem sempre uma amorfização superficial nas amostras, denunciadas através da ativação de uma banda óptica Raman mais larga em 470 cm-1. Esta fase amorfa pode ser considerada resultante da transição de fase a qual o silício pode ter sofrido. Por outro lado, para as condições onde o modo frágil é predominante, somente um pico óptico agudo de fonon em 521.6 cm-1 está presente no espectro Raman. Baseado nas medições que determinados parâmetros de corte, tais como a profundidade de corte e a espessura crítica do cavaco, apresentaram este estudo propõe que o regime dúctil não deve possuir uma faixa definida e fixa de valores para os parâmetros críticos mas, ao invés disso, estes seriam dependentes da extensão da camada transformada induzida por pressão/tensão gerada pela interação entre a ponta/aresta da ferramenta de corte com a peça durante a usinagem. Esta proposta se baseia na comparação entre os valores obtidos e os medidos por outros autores que mostram que a extensão da fase amorfa observada após processos de deformação mecânica (p.e., indentação, riscamento, polimento, nanoretificação e torneamento com ferramenta de ponta única de diamante) encontram-se na mesma faixa de valores encontrados para os parâmetros críticos (100-200 nm). Finalmente, foi demonstrado, através de observações da topografia de ambos, cavacos e superfícies geradas, realizadas com MEV e MFA, que este tipo de análise pode oferecer explicações significativas sobre os mecanismos de remoção de material em ação durante a usinagem e também sobre o estado microscópicos da ferramenta de diamante. / In recent years, considerable progress has been made on the study of the machinability of fragile materials such as semiconductors crystals, optical glasses, ceramics, etc., because of the demand for faster fabrication processes of complex surface shapes for optoelectronic applications. The ductility presented by single crystal silicon during machining has been explained by fracture mechanics theories. Recently, some new theories have been presented in order to give another justify to this ductility. It was proposed that semiconductors single crystal ductility is likely the end result of a pressure/stress induced phase transformation during cutting. In this work, the difference between ductile and brittle mode single-point diamond turning on the surface of machined silicon samples were investigated using Raman scattering. In the ductile mode conditions of machining, there are always an amorphization of the surface samples, denounced by the activation of the broad Raman optical band at 470 cm-1. This amorphous phase can be considered resulted from the phase transiton which silicon might have suffered. Contrary to the findings, in the brittle mode conditions, only the sharp optical phonon peak at 521.6 cm-1 is present in Raman spectra. Based on the observation that certain cutting parameters such as cutting depth and critical chip thickness, e.g., the point where ductile-to-brittle transition occurs, somehow presents values in the same range (100-200 nm) that the amorphous phase layer depth extension after mechanical deformation. (p.e., indentation, scratching, polishing, nanogrinding and single point diamond turning) observed in the literature, it is propposed that the ductile regime has not a definite range of values for the critical parameters but instead, it is dependent of the extension of the phase transformed layer induced by pressure/stress generated by the tool tip/edge interaction with workpiece during machining. Finally, it is shown that observation of topography and morphology of chip and the surface generated through SEM and AFM can offer very significant explanation of the material removal mechanisms in action during the current machining cut and diamond tool state.

Este trabalho analisou o processo de moldagem por injeção de micro elementos ópticos difrativos usinados em insertos de cobre eletrolítico com ferramenta de diamante com ponta única. Quatro tipos de microestruturas características foram selecionados neste estudo, a saber: lente anesférica, lente de Fresnel, grade de difração (blaze grating) e sensor de frente de onda. A análise da fidelidade de replicação foi feita considerando aspectos dimensionais micrométricos e nanométricos para a microestrutura e acabamento. Um perfilometro óptico e microscópio eletrônico de varredura foram utilizados para avaliar os insertos usinados e as características dos replicados. Uma ferramenta de diamante com geometria especial, com meio raio, foi usada para usinar as características de difração. As superfícies usinadas apresentaram baixo acabamento superficial, na faixa de 16 nm Rms. As simulações numéricas foram realizadas para avaliar o desempenho do processo de moldagem por injeção com polimetilmetacrilato (PMMA), e os resultados foram utilizados para orientar a injeção do polímero. Com base na simulações numéricas as temperaturas do molde e pressões de injeção foram variadas entre 85ºC/130°C e 70 bar/130 bar, respectivamente. A influência destes parâmetros no desempenho do processo de replicação foi analisada. A análise quantitativa da replicação foi feita através de um parâmetro denominado grau de replicação que define a relação entre a altura nominal da microestrutura do inserto e à altura da microestrutura na réplica de polímero. A grade de difração e o sensor de frente de onda apresentaram os melhores níveis de replicação: 98% e 99%, respectivamente. Os resultados experimentais mostraram que o processo de moldagem por injeção é uma técnica viável para replicar com alta qualidade microcaracterísticas de elementos ópticos de difração gerados por torneamento com ferramenta de diamante com ponta única. / This work investigated the injection molding process of micro diffractive optical elements machined on electrolytic copper inserts by single point diamond turning. Four types of microstructure features were selected in this study, namely: aspherical lens, Fresnel lens, blaze grating and the wavefront sensor. The replication fidelity was evaluated in terms of dimensional micrometric features found in the microstructure and the surface finish. An optical profiler and scanning electron microscopy were used to assess the machined inserts and the replicated features. A special geometry diamond tool with half radius was used to machine the diffraction features. The machined surfaces presented very low surface finish in the range of 16 nm Rms. Numerical simulations were carried out to evaluate the performance of the injection molding process with polymethylmethacrylate (PMMA), and the results were used to guide the polymer injection. Based on numerical simulations mold temperatures and injection pressures were varied between 85°C/130°C and 70 bar/130 bar, respectively. The influence of these parameters on performance of the replication process was assessed. The quantitative assessement of the replication was made by using a parameter called degree of replication which defines the ratio between the nominal height of the microstructure in the insert and the height of the microstructure in the polymer replica. The blaze grating and the wavefront sensor presented the best degrees of replication: 98% and 99%, respectively. The experimental results showed that injection molding process is a viable technique to replicate high quality micro features of optical diffraction elements generated by single point diamond turning.

Este trabalho analisou o processo de moldagem por injeção de micro elementos ópticos difrativos usinados em insertos de cobre eletrolítico com ferramenta de diamante com ponta única. Quatro tipos de microestruturas características foram selecionados neste estudo, a saber: lente anesférica, lente de Fresnel, grade de difração (blaze grating) e sensor de frente de onda. A análise da fidelidade de replicação foi feita considerando aspectos dimensionais micrométricos e nanométricos para a microestrutura e acabamento. Um perfilometro óptico e microscópio eletrônico de varredura foram utilizados para avaliar os insertos usinados e as características dos replicados. Uma ferramenta de diamante com geometria especial, com meio raio, foi usada para usinar as características de difração. As superfícies usinadas apresentaram baixo acabamento superficial, na faixa de 16 nm Rms. As simulações numéricas foram realizadas para avaliar o desempenho do processo de moldagem por injeção com polimetilmetacrilato (PMMA), e os resultados foram utilizados para orientar a injeção do polímero. Com base na simulações numéricas as temperaturas do molde e pressões de injeção foram variadas entre 85ºC/130°C e 70 bar/130 bar, respectivamente. A influência destes parâmetros no desempenho do processo de replicação foi analisada. A análise quantitativa da replicação foi feita através de um parâmetro denominado grau de replicação que define a relação entre a altura nominal da microestrutura do inserto e à altura da microestrutura na réplica de polímero. A grade de difração e o sensor de frente de onda apresentaram os melhores níveis de replicação: 98% e 99%, respectivamente. Os resultados experimentais mostraram que o processo de moldagem por injeção é uma técnica viável para replicar com alta qualidade microcaracterísticas de elementos ópticos de difração gerados por torneamento com ferramenta de diamante com ponta única. / This work investigated the injection molding process of micro diffractive optical elements machined on electrolytic copper inserts by single point diamond turning. Four types of microstructure features were selected in this study, namely: aspherical lens, Fresnel lens, blaze grating and the wavefront sensor. The replication fidelity was evaluated in terms of dimensional micrometric features found in the microstructure and the surface finish. An optical profiler and scanning electron microscopy were used to assess the machined inserts and the replicated features. A special geometry diamond tool with half radius was used to machine the diffraction features. The machined surfaces presented very low surface finish in the range of 16 nm Rms. Numerical simulations were carried out to evaluate the performance of the injection molding process with polymethylmethacrylate (PMMA), and the results were used to guide the polymer injection. Based on numerical simulations mold temperatures and injection pressures were varied between 85°C/130°C and 70 bar/130 bar, respectively. The influence of these parameters on performance of the replication process was assessed. The quantitative assessement of the replication was made by using a parameter called degree of replication which defines the ratio between the nominal height of the microstructure in the insert and the height of the microstructure in the polymer replica. The blaze grating and the wavefront sensor presented the best degrees of replication: 98% and 99%, respectively. The experimental results showed that injection molding process is a viable technique to replicate high quality micro features of optical diffraction elements generated by single point diamond turning.