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Ultraprecision, single point diamond turning (SPDT) is a tool based machining technology that allows the ability to produce high quality surface finishes on the order of nanometers while meeting tight form tolerances on the order of micrometers. It is generally agreed that surface finish in SPDT is primarily affected by four factors: Tool edge quality, relative vibration between the tool and workpiece, material properties and microstructure, and tool geometry (nose radius and machining parameters) machining. To the author’s knowledge, no work has been done to combine all the factors to study their effect on surface generation in SPDT. This is important given that the factors are highly interdependent. Two diamond tools with nose radius of 12mm were used; however, one of them was chemically honed. Results suggest that the honed tool provides a much better surface finish with a significantly reduced amount of running-in stage tool wear. The cutting edge radius of the diamond tools was measured using a novel 3D confocal laser microscope to analyze the chemical honing process and to measure tool wear. The presence of built-up edge (BUE) is more prominent on the honed tool earlier in its life which results in unpredictable surface roughness to appear sooner than on the regular tool. To understand the dynamics of the machine, a redesign of the tool holder bracket was done to increase stiffness. Modal tests were then performed on it to verify performance improvement. With an understanding of the vibration and its effect on the cutting force, a 400Hz disturbance frequency was detected in the cutting forces. From a 3D scan of the surface, a total of 24 undulations on the surface of the part were observed when the spindle speed was set to 1000RPM The machine was instrumented and a rotordynamic investigation was carried out to determine the cause and nature of the vibration in an effort to reduce it and in so doing improve surface form accuracy. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Este trabalho apresenta o estudo da Retificação de Ultraprecisão de ligas de carbeto de tungstênio-cobalto (WC-Co) com diferentes microestruturas. A motivação para este estudo foi o grande potencial desta liga para a fabricação de componentes que requerem materiais de alta dureza e resistência à fratura. Devido à combinação dessas características, esses materiais vêm sendo usados na fabricação de moldes para injeção de lentes ópticas de dispositivos eletrônicos e ópticos. Assim, amostras de carbeto de tungstênio-cobalto foram submetidas a vários testes para determinação da correlação entre os parâmetros de corte e parâmetros estruturais (tamanho de grão e teor de cobalto) com o regime de remoção de material. As amostras foram polidas e posteriormente microendentadas com cargas variadas para pré-avaliar a ocorrência de formação de microtrincas. Testes de usinagem foram conduzidos em uma retificadora de ultraprecisão, usando rebolos de diamante e posteriormente a rugosidade e os danos da superfície (microtrincas e crateras) foram avaliados. Para melhor entendimento da influência dos parâmetros estruturais e dos parâmetros de corte sobre os resultados de rugosidade foi realizado um teste ANOVA. As forças de usinagem foram medidas durante os ensaios usando um microdinamômetro piezelétrico com objetivo de estimar a temperatura na zona de retificação. Os resultados obtidos indicam que tanto os parâmetros estruturais como os parâmetros de corte influenciam na rugosidade, microdureza e temperatura na zona de retificação das ligas de carbeto de tungstênio-cobalto. Amostras com maior tamanho de grãos apresentam as menores rugosidades e altas temperaturas na zona de retificação. A velocidade de avanço (Vf) mostrou-se mais influente que a profundidade de corte (ap). Menores velocidades de avanço aumentam a temperatura na zona de retificação e a microdureza na camada superficial. Entretanto, verificou-se que as maiores temperaturas obtidas nos ensaios não foram suficientes para promover alteração metalúrgica no material. Algumas condições de corte combinadas com parâmetros estruturais levam a remoção de material em regime dúctil, resultando em superfícies com qualidade óptica. A porcentagem de cobalto e a velocidade de avanço (Vf) têm forte influência na alteração da microdureza da camada superficial das amostras retificadas. A diminuição da velocidade de avanço tende a aumentar a microdureza na camada. Há aumento de microdureza de até 200 kgf/mm2, sugerindo a ocorrência de encruamento por tensões compressivas. Com base nestes resultados, acredita-se que a retificação de ultraprecisão apresenta-se como uma opção viável para a manufatura de componentes de carbeto de tungstênio com acabamento submicrométrico, possibilitando a eliminação dos processos tradicionais de manufatura óptica, tais como a lapidação e o polimento. / The ultraprecision grinding of different tungsten carbide-cobalt microstructures (WC-Co) were investigated. The motivation for this study is the materials high hardness and potential application for micromolds. These materials have been used as optical inserts in glass injection molding processes for optical and electric devices, due to their excellent combination of high hardness, ductility and fracture toughness. Tungsten carbide samples were subjected to tests to determine the correlation between cutting parameters and microstructures to achieve the ductile regime of material removal. Polished surfaces of carbide samples were indented using varying loads to evaluate the microcracks formation. The machining tests were conducted using an ultraprecision grinding and A V-shaped metal-bond was used. Surface roughness was investigated as functions of the grinding conditions by means Analysis of Variance (ANOVA). The tangential force was measured using a piezoelectric dynamometer to estimate the grinding zone temperature. The results indicate that structural parameters (grain size and cobalt content) and cutting parameters have a significant influence on surface roughness, micro-hardness and grinding zone temperature for tungsten carbide-cobalt alloys.Tungsten carbide-cobalt samples with the larger grain size presented lower surface finish results and high grinding temperatures. The feed rate (Vf) showed greater influence that the in-feed (ap). The grinding zone temperature and the hardness are increased when speed rate is reduced. However, it was found that the highest temperature achieved did not reach a critical temperature for phase transformation. Some cutting parameters combined with structural parameters lead to ductile mode grinding mechanism, and as consequence, high optical quality surfaces are obtained. The micro-hardness of layer is extremely influenced by cobalt content and speed rate. Lower feed rate tends to increase the micro-hardness up to 200 kgf/mm2, suggesting that the compressive stress occurs. Considering the results presented it is believed that the Ultraprecision grinding showed to be a viable option for the fabrication of components made of tungsten carbide-cobalt with nanometer surface finish possibly eliminating traditional optical manufacturing processes such as lapping and polishing.

Trata do desenvolvimento de um porta-ferramenta translativo (PFT). Objetiva o microposicionamento relativo ferramenta/peça durante a usinagem de ultraprecisão, para atender à tolerâncias nanométricas. Define esse microposicionamento com o emprego de atuador piezelétrico. Mostra alguns aspectos de projeto aplicados à engenharia de precisão que foram usados no desenvolvimento do PFT. Relata as técnicas de controle aplicadas como PID e compensador por atraso de fase. Realiza uma análise para verificação dos modos de vibrar do PFT, identificando assim as freqüências naturais do sistema. Apresenta um modelo ideal, ou seja, todos os componentes foram fabricados e montados para a realização dos testes. Propõe que a estratégia de controle seja baseada em processar sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da ferramenta para identificar a condição de posicionamento relativo ferramenta/peça e obter informações que foram posteriormente usadas em um controlador PID, para realimentação de posição. Conclui com a avaliação e testes experimentais de deslocamento da ferramenta de corte, até 25 &#956m; com freqüência, até 10 Hz, realizados com o PFT projetado. / This work deals with the development of a tool post (PFT) for the micropositioning of a tool during ultraprecision machining in the nanometric range. Micropositioning employing piezoelectric actuators is defined. Precision engineering designs aspects applied to the development of the PFT are discussed. Control techniques such as PID and phase-lag compensator are addressed. A computer simulation for the verification of the vibrating modes of the PFT, with the simultaneous identification of the natural frequencies is carried out. An ideal model - all components will be manufactured and assembled - is presented. A control strategy based on the processing of signals acquired during the micropositioning of the tool to identify the positioning condition and to obtain information to be used by a PID controller is proposed. Experimental tests are performed with displacement of the tool, up to 25 &#956m, with frequency, up to 10 Hz.

Este trabalho apresenta o estudo da Retificação de Ultraprecisão de ligas de carbeto de tungstênio-cobalto (WC-Co) com diferentes microestruturas. A motivação para este estudo foi o grande potencial desta liga para a fabricação de componentes que requerem materiais de alta dureza e resistência à fratura. Devido à combinação dessas características, esses materiais vêm sendo usados na fabricação de moldes para injeção de lentes ópticas de dispositivos eletrônicos e ópticos. Assim, amostras de carbeto de tungstênio-cobalto foram submetidas a vários testes para determinação da correlação entre os parâmetros de corte e parâmetros estruturais (tamanho de grão e teor de cobalto) com o regime de remoção de material. As amostras foram polidas e posteriormente microendentadas com cargas variadas para pré-avaliar a ocorrência de formação de microtrincas. Testes de usinagem foram conduzidos em uma retificadora de ultraprecisão, usando rebolos de diamante e posteriormente a rugosidade e os danos da superfície (microtrincas e crateras) foram avaliados. Para melhor entendimento da influência dos parâmetros estruturais e dos parâmetros de corte sobre os resultados de rugosidade foi realizado um teste ANOVA. As forças de usinagem foram medidas durante os ensaios usando um microdinamômetro piezelétrico com objetivo de estimar a temperatura na zona de retificação. Os resultados obtidos indicam que tanto os parâmetros estruturais como os parâmetros de corte influenciam na rugosidade, microdureza e temperatura na zona de retificação das ligas de carbeto de tungstênio-cobalto. Amostras com maior tamanho de grãos apresentam as menores rugosidades e altas temperaturas na zona de retificação. A velocidade de avanço (Vf) mostrou-se mais influente que a profundidade de corte (ap). Menores velocidades de avanço aumentam a temperatura na zona de retificação e a microdureza na camada superficial. Entretanto, verificou-se que as maiores temperaturas obtidas nos ensaios não foram suficientes para promover alteração metalúrgica no material. Algumas condições de corte combinadas com parâmetros estruturais levam a remoção de material em regime dúctil, resultando em superfícies com qualidade óptica. A porcentagem de cobalto e a velocidade de avanço (Vf) têm forte influência na alteração da microdureza da camada superficial das amostras retificadas. A diminuição da velocidade de avanço tende a aumentar a microdureza na camada. Há aumento de microdureza de até 200 kgf/mm2, sugerindo a ocorrência de encruamento por tensões compressivas. Com base nestes resultados, acredita-se que a retificação de ultraprecisão apresenta-se como uma opção viável para a manufatura de componentes de carbeto de tungstênio com acabamento submicrométrico, possibilitando a eliminação dos processos tradicionais de manufatura óptica, tais como a lapidação e o polimento. / The ultraprecision grinding of different tungsten carbide-cobalt microstructures (WC-Co) were investigated. The motivation for this study is the materials high hardness and potential application for micromolds. These materials have been used as optical inserts in glass injection molding processes for optical and electric devices, due to their excellent combination of high hardness, ductility and fracture toughness. Tungsten carbide samples were subjected to tests to determine the correlation between cutting parameters and microstructures to achieve the ductile regime of material removal. Polished surfaces of carbide samples were indented using varying loads to evaluate the microcracks formation. The machining tests were conducted using an ultraprecision grinding and A V-shaped metal-bond was used. Surface roughness was investigated as functions of the grinding conditions by means Analysis of Variance (ANOVA). The tangential force was measured using a piezoelectric dynamometer to estimate the grinding zone temperature. The results indicate that structural parameters (grain size and cobalt content) and cutting parameters have a significant influence on surface roughness, micro-hardness and grinding zone temperature for tungsten carbide-cobalt alloys.Tungsten carbide-cobalt samples with the larger grain size presented lower surface finish results and high grinding temperatures. The feed rate (Vf) showed greater influence that the in-feed (ap). The grinding zone temperature and the hardness are increased when speed rate is reduced. However, it was found that the highest temperature achieved did not reach a critical temperature for phase transformation. Some cutting parameters combined with structural parameters lead to ductile mode grinding mechanism, and as consequence, high optical quality surfaces are obtained. The micro-hardness of layer is extremely influenced by cobalt content and speed rate. Lower feed rate tends to increase the micro-hardness up to 200 kgf/mm2, suggesting that the compressive stress occurs. Considering the results presented it is believed that the Ultraprecision grinding showed to be a viable option for the fabrication of components made of tungsten carbide-cobalt with nanometer surface finish possibly eliminating traditional optical manufacturing processes such as lapping and polishing.

A nanotecnologia não é mais um sonho, já faz parte da nossa realidade, do nosso dia a dia. É considerada, por muitos, a quinta Revolução Industrial, uma revolução tecnológica de grande abrangência, que poderá causar impactos talvez sem precedentes na história. A soma anual dos investimentos nesta nova tecnologia é de bilhões de dólares. Devido às inovações oriundas da nanotecnologia, os processos da manufatura e a medição de ultra-precisão vêm se desenvolvendo a cada dia. A nanotecnologia fez da usinagem de ultraprecisão com ferramenta de diamante uma grande aplicação na produção de itens de alto volume, tais como: disco de memória de computadores, lentes de contato, moldes de dentes, cilindros para impressão, espelhos metálicos. A alta integridade da superfície é requerida em todos os itens obtidos por este processo. Em conseqüência, é necessário um método de medição que seja o mais exato possível, isto é, que chegue a resultados o mais próximo possível do valor verdadeiro. Mas o que significa exatidão para uma análise ideal da superfície, uma vez que não existe referência para isso? Superfícies têm sido avaliadas por meio da medição da rugosidade, a qual consiste na determinação de um valor médio, de vários setores, dentro de valores limites preestabelecidos. A metrologia, através de seus métodos e princípios, é um importante instrumento para validar modelos e teorias. O conceito que \"uma vez testado, passa a ser aceito em qualquer lugar\". Daí a crescente necessidade de resultados de medições confiáveis que possam ser validados em qualquer lugar e a qualquer tempo. Assim, um caminho a ser seguido é o de se entenderem profundamente todos os métodos e princípios envolvidos nas operações de medição de rugosidade. E para que um método seja metrologicamente válido (ou aceitável), faz-se necessário realizarem-se comparações de diversas medições, de um mesmo mensurando, utilizando métodos diversos. Havendo discrepância nos resultados, é uma evidência de que as premissas e hipóteses levaram a acreditar que a teoria ou modelo adotado deve ser reavaliado. Este trabalho selecionou os três métodos mais utilizados na caracterização da integridade de superfícies técnicas obtida em torneamento de ultraprecisão com diamante, e descreveu uma metodologia para a avaliação da capabilidade do processo de controle de superfícies técnicas usinadas em torno de ultraprecisão. / Nanotechnology is no longer a dream. It is part of the real world. It is considered by many people as the fifth Industrial Revolution, a technological revolution of great impact in history. The world annual investment in this technology reaches billions of dollars. Due to innovations related to nanotechnology, ultraprecision manufacturing processes and metrology is developing steeply. Nanotechnology made single point diamond turning an important mass production process of, for instance, computer hard discs, contact lenses, moulds, printer cylinders, metallic mirrors, etc. High grade surface integrity is required of items produced by this process. As a consequence, it is necessary to use a measurement method which is most accurate as possible, i.e., resulting in a value as close as possible to the true. But what does true mean if there is no reference for that? Surfaces have been assessed by roughness measurements which determines a mean value of several sectors within pre-determined limits. Metrology, with its methods and principles, is an important instrument to validate models and theories. The concept, once tested, becomes accepted everywhere. Therefore the increasing necessity of reliable measurement results which may be validated anywhere and any time. Thus, it is essential a deep understanding of all methods and principles involved in roughness metrology operations. For a method to be metrologically accepted, it is necessary that it is compared with different methods. In the event of existing discrepancies, the premisses and hypotheses which fundamented the theory or model should be reassessed. Three of the most used methods have been selected to characterize the surface integrity of technical surfaces generated by diamond turning. A methodology to assess the capability of the process of control of those surfaces is proposed.

Previous studies show that the Piezoelectric-Driven Stick-Slip (PDSS) actuator is a promising device in many micropositioning and micromanipulation applications, where positioning with a long range and a high resolution is required. However, research in this area is still in its early stage and many issues remain to be addressed. One key issue is the representation of the dynamic displacement of the end-effector. It is known that such factors as the dynamics of piezoelectric actuator (PEA) and the presliding friction involved can significantly contribute to the displacement dynamics. Although this has been widely accepted, specific quantitative relationship between the aforementioned factors and the displacement dynamics has rarely been defined. The aim of this research is to develop a model to represent the displacement of the end-effecter of the PDSS actuators, in which both the presliding friction and the PEA dynamics are addressed. <p>In order to represent the presliding friction, the models reported in literatures, including Dahl model [Olsson, et al., 1998], Reset Integrator model [Haessig and Friedland 1991], LuGre model [Canudas de Wit et al., 1995] and Elastoplastic model [Dupont et al., 2002] were reviewed and examined; and the LuGre model was chosen to be used because of its efficiency and simple formulation. On the other hand, a linear second order dynamic system model was employed to represent the combination of a PEA and its driven mechanism. On the basis of the pre-sliding friction model and the linearized PEA dynamics model, a model representative of the end-effector displacement of the PDSS actuator model was developed. <p>In order to validate experimentally the developed PDSS model, a displacement measuring and data acquisition experiment system was established and a prototype was developed based on dSPACE and Simulink. On the prototyped actuator, two experiments were designed and conducted to identify the parameters involved in the model. One experiment is for the determination of the parameters of the second order system for the dynamics of the combination of a PEA and its driven mechanism; and other one is for the determination of the parameters of the chosen friction model. The identified parameters were then employed in the developed PDSS model to simulate the displacements and the results were compared with the experimental results that were obtained under the same operating conditions as the simulation. The comparison suggests that the model developed in this study is promising for the end-effector displacement of the PDSS actuator.

Previous studies show that the Piezoelectric-Driven Stick-Slip (PDSS) actuator is a promising device in many micropositioning and micromanipulation applications, where positioning with a long range and a high resolution is required. However, research in this area is still in its early stage and many issues remain to be addressed. One key issue is the representation of the dynamic displacement of the end-effector. It is known that such factors as the dynamics of piezoelectric actuator (PEA) and the presliding friction involved can significantly contribute to the displacement dynamics. Although this has been widely accepted, specific quantitative relationship between the aforementioned factors and the displacement dynamics has rarely been defined. The aim of this research is to develop a model to represent the displacement of the end-effecter of the PDSS actuators, in which both the presliding friction and the PEA dynamics are addressed. <p>In order to represent the presliding friction, the models reported in literatures, including Dahl model [Olsson, et al., 1998], Reset Integrator model [Haessig and Friedland 1991], LuGre model [Canudas de Wit et al., 1995] and Elastoplastic model [Dupont et al., 2002] were reviewed and examined; and the LuGre model was chosen to be used because of its efficiency and simple formulation. On the other hand, a linear second order dynamic system model was employed to represent the combination of a PEA and its driven mechanism. On the basis of the pre-sliding friction model and the linearized PEA dynamics model, a model representative of the end-effector displacement of the PDSS actuator model was developed. <p>In order to validate experimentally the developed PDSS model, a displacement measuring and data acquisition experiment system was established and a prototype was developed based on dSPACE and Simulink. On the prototyped actuator, two experiments were designed and conducted to identify the parameters involved in the model. One experiment is for the determination of the parameters of the second order system for the dynamics of the combination of a PEA and its driven mechanism; and other one is for the determination of the parameters of the chosen friction model. The identified parameters were then employed in the developed PDSS model to simulate the displacements and the results were compared with the experimental results that were obtained under the same operating conditions as the simulation. The comparison suggests that the model developed in this study is promising for the end-effector displacement of the PDSS actuator.

Silicon is commonly used in infrared (IR) imaging systems. The surface quality is an important issue in optics manufacturing since surface roughness affects optical performance of imaging systems. Surface quality of an optical component is determined by number of factor, including cutting parameters / cutting speed, depth of cut and feed in radial direction. In this thesis, an experimental study has been performed to investigate the relation between cutting parameters and average roughness of the surface of silicon. In the experiments, silicon specimens, which have a diameter of 50 mm, were face turned by using a 2-axis CNC single point diamond turning machine. The specimens were machined by using either constant spindle speed or constant cutting speed. Two different tools with rake angles of -15 degrees and -25 degrees were used. The attained surfaces were measured by using a white light interferometer, which has a resolution of 0.1nm. The experiments were designed according to the factorial design method, considering cutting parameters. The effects of cutting parameters and tool rake angles on surface quality of silicon were observed. The best average surface roughness obtained was about 1 nm which is quite better than the acceptable average surface roughness level of 25 nm.

A nanotecnologia não é mais um sonho, já faz parte da nossa realidade, do nosso dia a dia. É considerada, por muitos, a quinta Revolução Industrial, uma revolução tecnológica de grande abrangência, que poderá causar impactos talvez sem precedentes na história. A soma anual dos investimentos nesta nova tecnologia é de bilhões de dólares. Devido às inovações oriundas da nanotecnologia, os processos da manufatura e a medição de ultra-precisão vêm se desenvolvendo a cada dia. A nanotecnologia fez da usinagem de ultraprecisão com ferramenta de diamante uma grande aplicação na produção de itens de alto volume, tais como: disco de memória de computadores, lentes de contato, moldes de dentes, cilindros para impressão, espelhos metálicos. A alta integridade da superfície é requerida em todos os itens obtidos por este processo. Em conseqüência, é necessário um método de medição que seja o mais exato possível, isto é, que chegue a resultados o mais próximo possível do valor verdadeiro. Mas o que significa exatidão para uma análise ideal da superfície, uma vez que não existe referência para isso? Superfícies têm sido avaliadas por meio da medição da rugosidade, a qual consiste na determinação de um valor médio, de vários setores, dentro de valores limites preestabelecidos. A metrologia, através de seus métodos e princípios, é um importante instrumento para validar modelos e teorias. O conceito que \"uma vez testado, passa a ser aceito em qualquer lugar\". Daí a crescente necessidade de resultados de medições confiáveis que possam ser validados em qualquer lugar e a qualquer tempo. Assim, um caminho a ser seguido é o de se entenderem profundamente todos os métodos e princípios envolvidos nas operações de medição de rugosidade. E para que um método seja metrologicamente válido (ou aceitável), faz-se necessário realizarem-se comparações de diversas medições, de um mesmo mensurando, utilizando métodos diversos. Havendo discrepância nos resultados, é uma evidência de que as premissas e hipóteses levaram a acreditar que a teoria ou modelo adotado deve ser reavaliado. Este trabalho selecionou os três métodos mais utilizados na caracterização da integridade de superfícies técnicas obtida em torneamento de ultraprecisão com diamante, e descreveu uma metodologia para a avaliação da capabilidade do processo de controle de superfícies técnicas usinadas em torno de ultraprecisão. / Nanotechnology is no longer a dream. It is part of the real world. It is considered by many people as the fifth Industrial Revolution, a technological revolution of great impact in history. The world annual investment in this technology reaches billions of dollars. Due to innovations related to nanotechnology, ultraprecision manufacturing processes and metrology is developing steeply. Nanotechnology made single point diamond turning an important mass production process of, for instance, computer hard discs, contact lenses, moulds, printer cylinders, metallic mirrors, etc. High grade surface integrity is required of items produced by this process. As a consequence, it is necessary to use a measurement method which is most accurate as possible, i.e., resulting in a value as close as possible to the true. But what does true mean if there is no reference for that? Surfaces have been assessed by roughness measurements which determines a mean value of several sectors within pre-determined limits. Metrology, with its methods and principles, is an important instrument to validate models and theories. The concept, once tested, becomes accepted everywhere. Therefore the increasing necessity of reliable measurement results which may be validated anywhere and any time. Thus, it is essential a deep understanding of all methods and principles involved in roughness metrology operations. For a method to be metrologically accepted, it is necessary that it is compared with different methods. In the event of existing discrepancies, the premisses and hypotheses which fundamented the theory or model should be reassessed. Three of the most used methods have been selected to characterize the surface integrity of technical surfaces generated by diamond turning. A methodology to assess the capability of the process of control of those surfaces is proposed.