Micro-milling represents a versatile and fast manufacturing process suitable for production of fully 3D micro-components. Such components are demanded for a vast number of industrial applications including safety systems, environmental sensors, personalized medical devices or micro-lenses and mirrors. The ability of micro-milling to process a wide range of materials makes it one of the best candidates to take a leading position in micromanufacturing. However, so far it does not seem to happen. By discussion with various industrialists, low predictability of micro-milling process was identified as the major limiting factor. This is mainly because of strong effects of the tool tolerances and process uncertainties on machining performance. Although, these issues are well known, they are not reflected by the current modelling methods used in micro-milling. Therefore, the research presented in this thesis mainly concentrates on development of a method allowing a prediction of the tool life in manner of tool breakage probability. Another important criterion which must be fulfilled is the method applicability to industrial applications. This means that the method must give sufficiently accurate prediction in reasonable time with minimum effort and interactions with day-to-day manufacturing process. The criteria listed above led to development of a new method based on analytically/numerical modelling techniques combined with an analysis of real tool variations and process uncertainty. Although, the method is presented in a relatively basic form, without considering some of the important factors, it shows high potential for industrial applications. Possibility of further implementation of additional factors is also discussed in this thesis. Additionally, some of the modelling techniques presented in this thesis are assumed to be suitable for application during designing of micro end-mills. Therefore, in the last part of this thesis is presented a systematic methodology for designing of micro end-mills. This method is based on knowledge and experience gained during this research.

Nos últimos anos, o estudo do microfresamento tem recebido grande atenção devido a seu uso na fabricação de microcomponentes como células de combustível, microatuadores ou sensores, circuitos integrados, etc. O objetivo deste trabalho é apresentar os fundamentos do fresamento aplicados ao microfresamento. Para isto foi investigado, em escala reduzida, o comportamento de alguns princípios fundamentais da usinagem convencional, tais como espessura de corte instantânea, espessura de corte média, força de corte, pressão específica de corte, potência de corte, entre outros. A importância deste trabalho justifica-se pela necessidade de se entender como estes princípios comportam-se em escalas reduzidas. Inicialmente foi realizada uma investigação da literatura a fim de mostrar a origem de alguns destes princípios fundamentais. Em seguida, uma análise critica destes fundamentos foi apresentada e experimentos foram realizados com o intuito de confrontar o levantamento teórico com os resultados práticos. Para isso foram realizados testes de microfresamento com duas microfresas de metal duro constituídas de dois dentes cada uma com diâmetro de 0,8 mm. O raio da aresta de corte de cada ferramenta foi medido usando um microscópio confocal e os valores variaram de 1,8 \'mü\'m a 3,3 \'mü\'m. O material usado nos experimentos foi um alumínio liga (RSA 6061) de grãos ultrafinos (valor médio de 1 \'mü\'m). O fresamento adotado foi o frontal parcial (não engajado) com penetrações de trabalho de 0,2 mm e 0,4 mm. Os avanços por dente usados foram de 5 \'mü\'m e 10 \'mü\'m a uma profundidade de usinagem de 50 \'mü\'m. A máquina usada foi um centro de usinagem CNC de três eixos com potência nominal de 18 kw e rotação máxima de 24000 RPM. A máxima velocidade de corte alcançada foi de 50 m/min. Para coletar o sinal das forças de usinagem um dinamômetro piezoelétrico modelo 9256 C2 (Kistler) foi usado. Os resultados experimentais mostraram que o comportamento da variação da força de corte, o aumento da pressão específica de corte com o decréscimo da espessura de corte, energia de corte, potência de corte e representação da energia e potência de corte com base na força de corte média durante a formação do cavaco, são semelhantes ao comportamento destes parâmetros durante a usinagem convencional. Com base nestes resultados, foi mostrado que os fundamentos do fresamento podem ser aplicados em microfresamento para explicar o comportamento da microusinagem. / Recently, micro end milling is a subject that has received a large contribution due to its feasibility to be applied to the manufacturing of micro components such as fuel cells, micro actuators and sensors, integrated circuits, etc. The objective of this study is to present fundamental principles of machining of end milling operation applied to the micro end milling operation. It will be investigated the behavior at small scale of some known conventional machining parameters such as instantaneous thickness of cut, average thickness of cut, cutting force, specific cutting pressure, cutting power among others. The relevance of this study is justified by the need of understanding how those cutting parameters behave when the machining scale is reduced. Firstly, a review of the literature was carried out in order to show the origin of some fundamental principles of machining of materials. Thereafter, a critical analysis was held on these fundamentals and experimental cutting tests were designed and carried out aiming to comparing the experimental results with the expected trend shown by those parameters in conventional machining scale. The micro end milling tests used two carbide two teeth micro end mills with a diameter of 0,8 mm. The cutting edge of each tool was measured using a confocal optical profiler and the values ranged from 1,8 \'mü\'m up to 3,3 \'mü\'m. The workpiece material used in the cutting experiments was an ultra fine grain (average 1 \'mü\'m) aluminum alloy (RSA 6061). The machining operation was partial (not engaged) end milling with radial depths of cut of 0,2 mm and 0,4 mm. The feed per tooth used were 5 \'mü\'m and 10 \'mü\'m at constant depth of cut of 50 \'mü\'m. The machine tool used was a three axis CNC machining center with 18 kw nominal power and maximum spindle speed of 24000 RPM. At the maximum spindle speed the maximum cutting speed reached was 50 m/min. A mini piezoelectric dynamometer multicomponent model 9256 C2 (Kistler) was used to gather the cutting forces signals during machining. Therefore, the experimental results showed that the cutting force variation behavior, the increase of specific cutting pressure with the decrease of thickness of cut, cutting energy, cutting power, representing the energy and cutting power representation based on the average cutting force during chip formation are similar to the behavior of these parameters during conventional machining. Based upon that it is shown that the fundamental principles may well be applied to explain the machining behavior at very reduced scales during micro end milling operation.

A micromanufatura via usinagem apresenta algumas dificuldades, principalmente aquelas relacionadas à formação do cavaco, pois a espessura de corte passa a ter a dimensão do tamanho de grão do material da peça e da microgeometria da aresta de corte. Em operações de microcorte, a microestrutura do material é um fator importante no controle da geração da superfície da peça, mecanismo de formação de cavaco, etc. Este trabalho de pesquisa avaliou o efeito do tamanho ultrafino dos grãos do material da peça sobre os fenômenos inerentes ao corte no microfresamento. As variáveis de usinagem investigadas foram avanço por dente (fz), velocidade de corte (vc), diâmetro da microfresa (d&#934) e raio de aresta de corte (re), visando avaliar o mecanismo de formação do cavaco, acabamento da peça e integridade superficial. Os materiais utilizados nos experimentos foram um aço bifásico (ferrita-perlita) com tamanho de grão ferrítico de 11 µm e outro de microestrutura homogênea de grãos ultrafinos com 0,7 µm, ambos com mesma composição química e baixo-carbono. Dois grupos de ensaios foram propostos: (1) macro e microfresamento e (2) microfresamento de canais. O tipo de usinagem foi o de fresamento de topo, sem emprego de fluido de corte. Os ensaios de usinagem foram executados em centros de usinagem CNC. As ferramentas de corte foram de metal duro com recobrimentos, diâmetro 16 mm na escala macro de usinagem, 200 e 800 µm na escala micro. A adequação da microestrutura do material da peça à redução da escala de usinagem, através do mecanismo de refino de grão, gerou alguns aspectos favoráveis à microusinagem, como melhor acabamento (Ssk≈0 e Sku≈3), formação de cavaco contínuo e menor formação de rebarbas com a redução da espessura de corte (fz&#8804re), possibilitando aplicações em microfabricação por corte com ferramenta de geometria definida utilizando aços baixo carbono, antes limitadas à estruturas na construção civil e peças obtidas por conformação mecânica. / Micro manufacturing by means of machining presents difficulties, mainly those related to chip formation, since chip thickness become as small as normal material grain size, as well as the cutting edge radius. At such micro cutting operations material microstructure ascends as a very important issue in terms of machining output, i.e. surface roughness, subsurface damages, cutting forces, etc. This research evaluated the effect of the intervention on the metallurgical microstructure of the material on the cutting phenomena inherent in micromachining. The variables investigated were the feed per tooth (ft), cutting speed (vc), micro end-mill diameter (d&#934) and cutting edge radius (re). The materials used in the experiments were a steel two-phase (ferrite-pearlite) with ferritic grain size of 11 µm and similar one with homogeneous microstructure and ultrafine grains (0.7 µm), both low carbon. The mechanism of chip formation, surface finish and surface integrity were investigated and correlated with the studied variables. Two groups of machining experiments were proposed: (1) macro and micro end-milling and (2) microchannels. Overall, the type of machining was the end milling, without using cutting fluid. The machining tests were carried on a CNC machining center. The cutting tools are coated, diameter 16 mm in macro scale of machining, 200 and 800 &#956m in micro scale. the adequacy of the microstructure of the workpiece material to the reduce the scale of machining generated some favorable aspects to micromachining, such as better finishing (Ssk≈0 e Sku≈3), continuous chip formation and lesser burr formation by reducing the cutting thickness (fz&#8804re), enabling micromanufacturing applications for low carbon steels, once limited to structures in the civil construction and pieces obtained by mechanical forming.

A micromanufatura via usinagem apresenta algumas dificuldades, principalmente aquelas relacionadas à formação do cavaco, pois a espessura de corte passa a ter a dimensão do tamanho de grão do material da peça e da microgeometria da aresta de corte. Em operações de microcorte, a microestrutura do material é um fator importante no controle da geração da superfície da peça, mecanismo de formação de cavaco, etc. Este trabalho de pesquisa avaliou o efeito do tamanho ultrafino dos grãos do material da peça sobre os fenômenos inerentes ao corte no microfresamento. As variáveis de usinagem investigadas foram avanço por dente (fz), velocidade de corte (vc), diâmetro da microfresa (d&#934) e raio de aresta de corte (re), visando avaliar o mecanismo de formação do cavaco, acabamento da peça e integridade superficial. Os materiais utilizados nos experimentos foram um aço bifásico (ferrita-perlita) com tamanho de grão ferrítico de 11 µm e outro de microestrutura homogênea de grãos ultrafinos com 0,7 µm, ambos com mesma composição química e baixo-carbono. Dois grupos de ensaios foram propostos: (1) macro e microfresamento e (2) microfresamento de canais. O tipo de usinagem foi o de fresamento de topo, sem emprego de fluido de corte. Os ensaios de usinagem foram executados em centros de usinagem CNC. As ferramentas de corte foram de metal duro com recobrimentos, diâmetro 16 mm na escala macro de usinagem, 200 e 800 µm na escala micro. A adequação da microestrutura do material da peça à redução da escala de usinagem, através do mecanismo de refino de grão, gerou alguns aspectos favoráveis à microusinagem, como melhor acabamento (Ssk≈0 e Sku≈3), formação de cavaco contínuo e menor formação de rebarbas com a redução da espessura de corte (fz&#8804re), possibilitando aplicações em microfabricação por corte com ferramenta de geometria definida utilizando aços baixo carbono, antes limitadas à estruturas na construção civil e peças obtidas por conformação mecânica. / Micro manufacturing by means of machining presents difficulties, mainly those related to chip formation, since chip thickness become as small as normal material grain size, as well as the cutting edge radius. At such micro cutting operations material microstructure ascends as a very important issue in terms of machining output, i.e. surface roughness, subsurface damages, cutting forces, etc. This research evaluated the effect of the intervention on the metallurgical microstructure of the material on the cutting phenomena inherent in micromachining. The variables investigated were the feed per tooth (ft), cutting speed (vc), micro end-mill diameter (d&#934) and cutting edge radius (re). The materials used in the experiments were a steel two-phase (ferrite-pearlite) with ferritic grain size of 11 µm and similar one with homogeneous microstructure and ultrafine grains (0.7 µm), both low carbon. The mechanism of chip formation, surface finish and surface integrity were investigated and correlated with the studied variables. Two groups of machining experiments were proposed: (1) macro and micro end-milling and (2) microchannels. Overall, the type of machining was the end milling, without using cutting fluid. The machining tests were carried on a CNC machining center. The cutting tools are coated, diameter 16 mm in macro scale of machining, 200 and 800 &#956m in micro scale. the adequacy of the microstructure of the workpiece material to the reduce the scale of machining generated some favorable aspects to micromachining, such as better finishing (Ssk≈0 e Sku≈3), continuous chip formation and lesser burr formation by reducing the cutting thickness (fz&#8804re), enabling micromanufacturing applications for low carbon steels, once limited to structures in the civil construction and pieces obtained by mechanical forming.

Nos últimos anos, o estudo do microfresamento tem recebido grande atenção devido a seu uso na fabricação de microcomponentes como células de combustível, microatuadores ou sensores, circuitos integrados, etc. O objetivo deste trabalho é apresentar os fundamentos do fresamento aplicados ao microfresamento. Para isto foi investigado, em escala reduzida, o comportamento de alguns princípios fundamentais da usinagem convencional, tais como espessura de corte instantânea, espessura de corte média, força de corte, pressão específica de corte, potência de corte, entre outros. A importância deste trabalho justifica-se pela necessidade de se entender como estes princípios comportam-se em escalas reduzidas. Inicialmente foi realizada uma investigação da literatura a fim de mostrar a origem de alguns destes princípios fundamentais. Em seguida, uma análise critica destes fundamentos foi apresentada e experimentos foram realizados com o intuito de confrontar o levantamento teórico com os resultados práticos. Para isso foram realizados testes de microfresamento com duas microfresas de metal duro constituídas de dois dentes cada uma com diâmetro de 0,8 mm. O raio da aresta de corte de cada ferramenta foi medido usando um microscópio confocal e os valores variaram de 1,8 \'mü\'m a 3,3 \'mü\'m. O material usado nos experimentos foi um alumínio liga (RSA 6061) de grãos ultrafinos (valor médio de 1 \'mü\'m). O fresamento adotado foi o frontal parcial (não engajado) com penetrações de trabalho de 0,2 mm e 0,4 mm. Os avanços por dente usados foram de 5 \'mü\'m e 10 \'mü\'m a uma profundidade de usinagem de 50 \'mü\'m. A máquina usada foi um centro de usinagem CNC de três eixos com potência nominal de 18 kw e rotação máxima de 24000 RPM. A máxima velocidade de corte alcançada foi de 50 m/min. Para coletar o sinal das forças de usinagem um dinamômetro piezoelétrico modelo 9256 C2 (Kistler) foi usado. Os resultados experimentais mostraram que o comportamento da variação da força de corte, o aumento da pressão específica de corte com o decréscimo da espessura de corte, energia de corte, potência de corte e representação da energia e potência de corte com base na força de corte média durante a formação do cavaco, são semelhantes ao comportamento destes parâmetros durante a usinagem convencional. Com base nestes resultados, foi mostrado que os fundamentos do fresamento podem ser aplicados em microfresamento para explicar o comportamento da microusinagem. / Recently, micro end milling is a subject that has received a large contribution due to its feasibility to be applied to the manufacturing of micro components such as fuel cells, micro actuators and sensors, integrated circuits, etc. The objective of this study is to present fundamental principles of machining of end milling operation applied to the micro end milling operation. It will be investigated the behavior at small scale of some known conventional machining parameters such as instantaneous thickness of cut, average thickness of cut, cutting force, specific cutting pressure, cutting power among others. The relevance of this study is justified by the need of understanding how those cutting parameters behave when the machining scale is reduced. Firstly, a review of the literature was carried out in order to show the origin of some fundamental principles of machining of materials. Thereafter, a critical analysis was held on these fundamentals and experimental cutting tests were designed and carried out aiming to comparing the experimental results with the expected trend shown by those parameters in conventional machining scale. The micro end milling tests used two carbide two teeth micro end mills with a diameter of 0,8 mm. The cutting edge of each tool was measured using a confocal optical profiler and the values ranged from 1,8 \'mü\'m up to 3,3 \'mü\'m. The workpiece material used in the cutting experiments was an ultra fine grain (average 1 \'mü\'m) aluminum alloy (RSA 6061). The machining operation was partial (not engaged) end milling with radial depths of cut of 0,2 mm and 0,4 mm. The feed per tooth used were 5 \'mü\'m and 10 \'mü\'m at constant depth of cut of 50 \'mü\'m. The machine tool used was a three axis CNC machining center with 18 kw nominal power and maximum spindle speed of 24000 RPM. At the maximum spindle speed the maximum cutting speed reached was 50 m/min. A mini piezoelectric dynamometer multicomponent model 9256 C2 (Kistler) was used to gather the cutting forces signals during machining. Therefore, the experimental results showed that the cutting force variation behavior, the increase of specific cutting pressure with the decrease of thickness of cut, cutting energy, cutting power, representing the energy and cutting power representation based on the average cutting force during chip formation are similar to the behavior of these parameters during conventional machining. Based upon that it is shown that the fundamental principles may well be applied to explain the machining behavior at very reduced scales during micro end milling operation.

Considerando as dimensões reduzidas das ferramentas de microfresamento, a seleção não otimizada dos parâmetros de corte tende a maximizar o desgaste e a quebra da ferramenta durante operações de microusinagem. Isto posto, o desenvolvimento de um sistema de monitoramento para explorar as condições da microfresa durante a usinagem é fundamental. Portanto, o objetivo desta pesquisa é monitorar via sinais de potência e emissão acústica (EA) o desgaste da ferramenta e a estabilidade de corte em operações de microfresamento do aço COS AR60 e COS AR60 de grãos ultrafinos (GUF). Os testes de microfresamento foram realizados com ferramentas de diâmetro de 1 mm e duas arestas, com substrato de metal duro e revestimento (Ti, Al, Cr) N, em um centro de usinagem CNC Romi D800 High Performance adaptado com um cabeçote de alta rotação. O microfresamento ocorreu nos dois materiais sem aplicação de fluido de corte e com velocidade de corte de 62,5 m/min e 125 m/min, mantendo constante a velocidade de avanço de 240 mm/min (fz = 6 μm/aresta e 3 μm/aresta), profundidade de usinagem de 100 m e comprimento de usinagem de 104 mm em corte em cheio. O sinal de potência e EA foram adquiridos à taxa de 5 kHz e 1,25 MHz, respectivamente. Os dados foram adquiridos em LabVIEW® e processados em LabVIEW® e MATLAB®. Os resultados de caracterização dos desgastes apontaram um desgaste de flanco mais expressivo e a formação de Aresta Postiça de Corte (APC) no GUF para vc = 125 m/min, e a presença de desgaste de cratera em todas as condições de corte. O aumento da potência de corte média representou a predominância do desgaste de flanco, e desgaste de cratera em sua redução. De forma semelhante, a ANOVA dos valores de EA RMS indicaram com significância (95% de confiança) uma correlação diretamente proporcional entre EA RMS e evolução do desgaste de flanco na microfresa. Quanto à estabilidade de corte, ambos os sinais apresentaram um aumento expressivo de amplitude quando o corte foi instável. Com isso, os métodos de monitoramento utilizados foram capazes de indicar a evolução do desgaste da microfresa e a ocorrência de chatter em operações de microfresamento. / Regarding the reduced dimensions of micro-milling tools, a non-optimised selection of cutting parameters tends to maximise tool wear and breakage during cutting operations. Hereupon the development of a monitoring system for exploring microtool conditions during machining is imperative. Therefore, the aim of this research is to monitor tool wear and cutting stability via cutting power and acoustic emission (AE) signals in micro-milling operations of steel COS AR60 and ultra fine-grained steel COS AR 60 (GUF). Cutting tests were performed by carbide endmill tools with (Ti, Al, Cr) N coating, two flutes and 1 mm diameter in a CNC machining centre Romi D800 High Performance adapted with a high spindle speed head. Micro-milling operations were carried out in both materials without cutting fluid application at 62.5 m/min and 125 m/min, and constant parameters of feed, set at 240 mm/min (fz = 6 μm/tooth and 3 μm/tooth), depth of cut of 100 m and cutting length of 104 mm performed in sloth cutting strategy. Cutting power and AE signals were acquired at the rate of 5 kHz and 1.25 MHz, respectively. The data were acquired in LabVIEW® and processed in both LabVIEW® and MATLAB®. The results on wear characterisation revealed a major flank wear and the formation of Built Up-Edge (BUE) in GUF at vc = 125 m/min, along with the occurrence of crater wear in all cutting conditions set. An increase in the average cutting power levels is linked to the predominancy of flank wear, while crater wear to its decrease. Likewise, the Analysis of Variance (ANOVA) of EA RMS values indicated with significancy (95% confidence) a direct proportion between AE RMS and flank wear in the microtool. In terms of cutting stability both EA and cutting power signals have shown an expressive rise when performing instable cutting. Thus, the methods of monitoring were feasible for recognising tool wear evolution and chatter in micro-milling operations.