Electrochemical machining (ECM) and especially electrochemical micromachining (μECM) became an attractive area of research due to the fact that this process does not create any defective layer after machining and that there is a growing demand for better surface integrity on different micro applications such as microfluidics systems and stressfree drilled holes in the automotive and aerospace sectors. Electrochemical machining is considered as a non-conventional machining process based on the phenomenon of electrolysis. This process requires maintaining a small gap - the interelectrode gap (IEG) - between the anode (workpiece) and the cathode (tool-electrode) in order to achieve acceptable machining results (i.e. accuracy, high aspect ratio with appropriate material removal rate and efficiency). This work presents the design of a next generation μECM machine for the automotive, aerospace, medical and metrology sectors. It has 3 axes of motion (X, Y and Z) and a spindle allowing the tool-electrode to rotate during machining. The linear slides for each axis use air bearings with linear DC brushless motors and 2nmresolution encoders for ultra-precise motion. The control system is based on the Power PMAC motion controller from Delta Tau. The electrolyte tank is located at the rear of the machine and allows the electrolyte to be changed quickly. A pulse power supply unit (PSU) and a special control algorithm have been implemented. The pulse power supply provides not only ultra-short pulses (50ns), but also plus and minus biases as well as a polarity switching functionality. It fulfils the requirements of tool preparation with reversed ECM on the machine. Moreover, the PSU is equipped with an ultrafast over current protection which prevents the tool-electrode from being damaged in case of short-circuits. Two different process control algorithms were made: one is fuzzy logic based and the other is adapting the feed rate according to the position and time at which short-circuits were detected. The developed machine is capable of drilling micro holes in hard-to-machine materials but also machine micro-styli and micro-needles for the metrology (micro CMM) and medical sectors. This work also presents drilling trials performed with the machine with an orbiting tool. Machining experiments were also carried out using electrolytes made of a combination of HCl and NaNO₃ aqueous solutions. The developed machine was used to fabricate micro tools out of 170μm WC-Co alloy shafts via micro electrochemical turning and drill deep holes via μECM in disks made of 18NiCr6 alloy. Results suggest that this process can be used for industrial applications for hard-to-machine materials. The author also suggests that the developed machine can be used to manufacture micro-probes and micro-tools for metrology and micro-manufacturing purposes.

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.

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.