Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

Dentre as diversas aplicações onde o titânio e suas ligas são empregados destaca-se a indústria aeroespacial, pois suas excelentes propriedades de resistência à fratura, resistência à corrosão e razão resistência/peso, a qual se mantém a elevadas temperaturas, torna imprescindível o seu uso. Por outro lado, a usinabilidade de titânio e suas ligas é geralmente considerada como sendo ruim devido a algumas características, como por exemplo, baixa condutividade térmica, reatividade química com a maioria dos materiais ferramenta, alta resistência em altas temperaturas e baixo módulo de elasticidade, entre outras. Por esses motivos, foram realizadas operações de torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante, a fim de determinar o comportamento do Ti comercialmente puro (CP) e sua liga mais comercialmente usada (Ti-6Al-4V). Os ensaios foram feitos com uso de fluido de corte aplicado em forma de névoa (~100ml/hora) em uma máquina-ferramenta com alta rigidez e precisão de posicionamento (resolução 10 nanômetros). As técnicas de caracterização de superfície usadas foram: microscopia eletrônica de varredura, óptica e de força atômica, microdureza Vickers, perfilometria mecânica e óptica. Os danos superficiais observados devido à interação ferramenta/material foram associados ao fenômeno conhecido como delaminação. Os resultados obtidos de microdureza superficial mostraram aumentos que chegaram à ordem de 85% para o Ti (CP) e de 77% para o Ti-6Al-4V. Os menores valores encontrados para Ra ficaram em torno de 30 nm para o Ti (CP) e de 46 nm para o Ti-6Al-4V enquanto os menores valores encontrados de Rt para o Ti(CP) foi de 590 nm e para o Ti-6Al-4V foi de 416 nm sob as mesmas condições de usinagem. Portanto, a usinagem de ultraprecisão se torna uma alternativa eficiente no uso de operações de acabamento melhorando a integridade superficial do Ti (CP) e suas ligas. / Among the various applications where titanium and its alloys are employed, the aeronautic industry is one of the most important, because of their excellent properties such as fracture strength, corrosion resistance and high strength to weight ratio, which is maintained at high temperatures. However, the machinability of titanium and its alloys is generally considered poor due to some of their characteristics as low thermal conductivity, chemical reactivity with most tool materials, high resistance to mechanical work at high temperature and low young\'s modulus, etc. Ultraprecision diamond turning has been carried out in order to determine the behaviour of commercially pure Ti and the most used alloy ((Ti-6Al-4V). Cutting fluid has been applied in the form of mist (~100 ml/hora) during the experiments. A high stiffness and high precision machine tool has been used (positioning precision of 10 nm). Scanning electron microscopy, optical microscopy, atomic force microscopy, Vickers microhardness test and contact and optical perfilometry have been used to characterize the machined surfaces. The surface damage observed due to the interaction tool-workpiece have been associated with the known phenomenon of delamination. The microhardness results presented an increase of the order of 85% for Ti (CP) and of 77% for the Ti-6Al-4V alloy after machining. The lowest values for Ra are around 30 nm for Ti (CP) and 46 nm for Ti-6Al-4V and the lowest values of Rt for Ti (CP) are about 590 nm and 416 nm for the Ti-6Al-4V, for the same conditions. The ultraprecision machining of titanium and its alloys may be an efficient alternative for finish operations resulting in better surface integrity.

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.

Dentre as diversas aplicações onde o titânio e suas ligas são empregados destaca-se a indústria aeroespacial, pois suas excelentes propriedades de resistência à fratura, resistência à corrosão e razão resistência/peso, a qual se mantém a elevadas temperaturas, torna imprescindível o seu uso. Por outro lado, a usinabilidade de titânio e suas ligas é geralmente considerada como sendo ruim devido a algumas características, como por exemplo, baixa condutividade térmica, reatividade química com a maioria dos materiais ferramenta, alta resistência em altas temperaturas e baixo módulo de elasticidade, entre outras. Por esses motivos, foram realizadas operações de torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante, a fim de determinar o comportamento do Ti comercialmente puro (CP) e sua liga mais comercialmente usada (Ti-6Al-4V). Os ensaios foram feitos com uso de fluido de corte aplicado em forma de névoa (~100ml/hora) em uma máquina-ferramenta com alta rigidez e precisão de posicionamento (resolução 10 nanômetros). As técnicas de caracterização de superfície usadas foram: microscopia eletrônica de varredura, óptica e de força atômica, microdureza Vickers, perfilometria mecânica e óptica. Os danos superficiais observados devido à interação ferramenta/material foram associados ao fenômeno conhecido como delaminação. Os resultados obtidos de microdureza superficial mostraram aumentos que chegaram à ordem de 85% para o Ti (CP) e de 77% para o Ti-6Al-4V. Os menores valores encontrados para Ra ficaram em torno de 30 nm para o Ti (CP) e de 46 nm para o Ti-6Al-4V enquanto os menores valores encontrados de Rt para o Ti(CP) foi de 590 nm e para o Ti-6Al-4V foi de 416 nm sob as mesmas condições de usinagem. Portanto, a usinagem de ultraprecisão se torna uma alternativa eficiente no uso de operações de acabamento melhorando a integridade superficial do Ti (CP) e suas ligas. / Among the various applications where titanium and its alloys are employed, the aeronautic industry is one of the most important, because of their excellent properties such as fracture strength, corrosion resistance and high strength to weight ratio, which is maintained at high temperatures. However, the machinability of titanium and its alloys is generally considered poor due to some of their characteristics as low thermal conductivity, chemical reactivity with most tool materials, high resistance to mechanical work at high temperature and low young\'s modulus, etc. Ultraprecision diamond turning has been carried out in order to determine the behaviour of commercially pure Ti and the most used alloy ((Ti-6Al-4V). Cutting fluid has been applied in the form of mist (~100 ml/hora) during the experiments. A high stiffness and high precision machine tool has been used (positioning precision of 10 nm). Scanning electron microscopy, optical microscopy, atomic force microscopy, Vickers microhardness test and contact and optical perfilometry have been used to characterize the machined surfaces. The surface damage observed due to the interaction tool-workpiece have been associated with the known phenomenon of delamination. The microhardness results presented an increase of the order of 85% for Ti (CP) and of 77% for the Ti-6Al-4V alloy after machining. The lowest values for Ra are around 30 nm for Ti (CP) and 46 nm for Ti-6Al-4V and the lowest values of Rt for Ti (CP) are about 590 nm and 416 nm for the Ti-6Al-4V, for the same conditions. The ultraprecision machining of titanium and its alloys may be an efficient alternative for finish operations resulting in better surface integrity.

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.

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

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Este trabalho apresenta o estudo da usinabilidade do carbeto de tungstênio utilizando ferramenta de ponta única de diamante em máquina-ferramenta de ultraprecisão, em função de suas características de dureza e potencial uso para a fabricação de micromoldes. O carbeto de tungstênio foi submetido a testes de usinagem para a determinação dos parâmetros e condições de corte para a obtenção do regime dúctil. Com base nos resultados experimentais, concluiu-se que, para os avanços da ordem de 1 micrômetro/revolução, a profundidade de corte (AP) não influencia significativamente no resultado de rugosidade, e para avanços da ordem de 3 micrômetros, observou-se a formação de trincas na superfície usinada. Além disso, para profundidades de corte maiores que 2 micrômetros as ferramentas começaram a apresentar lascamento. Para avanços da ordem de 3 micrômetro/revolução a profundidade de corte influencia com grande significância no resultado de rugosidade. O torneamento do carbeto de tungstênio usando ferramenta de diamante mostrou-se uma opção viável à produção de superfícies em termos de qualidade óptica, porém, devido à alta dureza deste material (aproximadamente 4000HV) o torneamento mostrou ser um processo com condições limitadas para a produção em série de componentes em função da baixa taxa de remoção de material permitida. É possível que a retificação possa apresentar taxas de remoção maiores, mesmo assim garantindo a qualidade superficial atingida pelo torneamento, ou ainda, a retificação possa ser usada como um processo no desbaste do carbeto de tungstênio seguido do torneamento de ultraprecisão como a opção viável a produção em série de peças. Portanto, para obtenção de uma superfície de carbeto de tungstênio sem danos e com acabamentos da ordem de 10 nm, a profundidade e avanço não devem ser superiores a 2,00 \'mü\'micrômetros e 1,00 \'mü\'micrômetro/revolução, respectivamente, usando uma ferramenta de diamante nova com ângulo de saída 0 ou - 25 graus e uma máquina-ferramenta de alta precisão. / The single point diamond turning of the Tungsten Carbide is presented. The motivation for this study is the material´s high hardness and potential application for micromolds. A Tungsten Carbide sample was subjected to tests for determination of cutting parameters to achieve the ductile regime of material removal. Based on experimental results it was concluded that for the feedrate of the order of 1 \'mü\'m/revolution, the depth of cut did not affect significantly the surface roughness and for federates of the order of 3 \'mü\'m/revolution, the dept of cut influenced results of roughness greatly. Moreover chipping of the cutting edge occurs for depths of cut of 2 \'mü\'m. The diamond machining of tungsten carbide tool using diamond proved to be a viable option for the production of surfaces in terms of optical quality, but due to the high hardness of this material (approximately 4000HV) showed to be limited for the production of components due to the low material removal rate. It is possible that the precision griding may provide higher material removal rates along with the acceptable surface quality. Therefore, to obtain a damage free surface in tungsten carbide with surface finishe in the order of 10 nm, cutting depth and feedrate should be smaller than 2,00 \'mü\'m and 1,00 \'mü\'m/revolution, respectively, using a new diamond tool with rake angle of 0 or - 25 degrees and precision high stiffness machine tool.

Este trabalho apresenta o estudo da usinabilidade do carbeto de tungstênio utilizando ferramenta de ponta única de diamante em máquina-ferramenta de ultraprecisão, em função de suas características de dureza e potencial uso para a fabricação de micromoldes. O carbeto de tungstênio foi submetido a testes de usinagem para a determinação dos parâmetros e condições de corte para a obtenção do regime dúctil. Com base nos resultados experimentais, concluiu-se que, para os avanços da ordem de 1 micrômetro/revolução, a profundidade de corte (AP) não influencia significativamente no resultado de rugosidade, e para avanços da ordem de 3 micrômetros, observou-se a formação de trincas na superfície usinada. Além disso, para profundidades de corte maiores que 2 micrômetros as ferramentas começaram a apresentar lascamento. Para avanços da ordem de 3 micrômetro/revolução a profundidade de corte influencia com grande significância no resultado de rugosidade. O torneamento do carbeto de tungstênio usando ferramenta de diamante mostrou-se uma opção viável à produção de superfícies em termos de qualidade óptica, porém, devido à alta dureza deste material (aproximadamente 4000HV) o torneamento mostrou ser um processo com condições limitadas para a produção em série de componentes em função da baixa taxa de remoção de material permitida. É possível que a retificação possa apresentar taxas de remoção maiores, mesmo assim garantindo a qualidade superficial atingida pelo torneamento, ou ainda, a retificação possa ser usada como um processo no desbaste do carbeto de tungstênio seguido do torneamento de ultraprecisão como a opção viável a produção em série de peças. Portanto, para obtenção de uma superfície de carbeto de tungstênio sem danos e com acabamentos da ordem de 10 nm, a profundidade e avanço não devem ser superiores a 2,00 \'mü\'micrômetros e 1,00 \'mü\'micrômetro/revolução, respectivamente, usando uma ferramenta de diamante nova com ângulo de saída 0 ou - 25 graus e uma máquina-ferramenta de alta precisão. / The single point diamond turning of the Tungsten Carbide is presented. The motivation for this study is the material´s high hardness and potential application for micromolds. A Tungsten Carbide sample was subjected to tests for determination of cutting parameters to achieve the ductile regime of material removal. Based on experimental results it was concluded that for the feedrate of the order of 1 \'mü\'m/revolution, the depth of cut did not affect significantly the surface roughness and for federates of the order of 3 \'mü\'m/revolution, the dept of cut influenced results of roughness greatly. Moreover chipping of the cutting edge occurs for depths of cut of 2 \'mü\'m. The diamond machining of tungsten carbide tool using diamond proved to be a viable option for the production of surfaces in terms of optical quality, but due to the high hardness of this material (approximately 4000HV) showed to be limited for the production of components due to the low material removal rate. It is possible that the precision griding may provide higher material removal rates along with the acceptable surface quality. Therefore, to obtain a damage free surface in tungsten carbide with surface finishe in the order of 10 nm, cutting depth and feedrate should be smaller than 2,00 \'mü\'m and 1,00 \'mü\'m/revolution, respectively, using a new diamond tool with rake angle of 0 or - 25 degrees and precision high stiffness machine tool.