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 teve como objetivo o estudo experimental de lubrificação e resfriamento no torneamento duro de uma superfície funcional em componentes de grande porte, com aplicação no chão de fábrica. Foram comparadas as técnicas de mínima quantidade de lubrificante e resfriamento abundante, utilizando o método de resposta de superfície. O planejamento tridimensional utilizado foi de dois níveis, adicionado de pontos axiais, ponto central e de réplica. Foram variados a velocidade periférica da peça, o avanço da ferramenta de usinagem e a profundidade de usinagem. Após a execução do experimento, a integridade da superfície foi analisada pela medição da tensão residual, da espessura de possíveis modificações microestruturais e pela medição dos parâmetros estatísticos Sa, Sq e Sz. As medidas foram então ajustadas em modelos matemáticos, otimizadas e por fim comparadas. A análise dos resultados sinalizou que os modelos ajustados para ambos os métodos foram capazes de explicar satisfatoriamente o comportamento das variáveis de resposta. Ainda, a partir da função desirability, foi possível estimar valores ótimos com qualidade equivalente entre os métodos. Tanto para o emprego com mínimas quantidades quanto para resfriamento abundante foram registradas tensões circunferenciais altamente compressivas. Nas condições ótimas, quando empregadas mínimas quantidades de lubrificante, a superfície apresentou valores de tensões residuais 37% maiores em comparação ao obtido quando empregado o resfriamento abundante. Ambos os métodos produziram tanto superfícies livres de modificações microestruturais significativas, como também superfícies com modificações microstruturais significativas. Porém, quando detectadas, as modificações se mostraram muito reduzidas, com espessura de até 2,35 &#956m. Nas condições ótimas, quando empregado mínimas quantidades de lubrificante, a espessura da modificação foi 74% menor em comparação ao obtido quando empregado o resfriamento abundante. Os parâmetros estatísticos sugeriram alguma vantagem da aplicação de mínimas quantidades de lubrificante. Nas condições ótimas, a aplicação MQL apresentou melhor rugosidade Sa, em 47%, e Sz, em 11%. Porém, o desvio-padrão Sq da superfície apresentou valor 12% maior ao resfriamento abundante. / This work aimed to conduct a study of cooling and lubrication in hard turning of functional surface of large components. It was compared the performance of minimum quantity lubrication and abundant cooling through the application of response surface methodology. The activities were developed in shop floor application. It was designed a three-dimensional experiment with two levels, added by axial points, center point and one center replicate. The input variables were the peripheral velocity of the workpiece, the feed of the cutting tool and the depth of cut of machining. After the process were analyzed the surface integrity through the circumferential residual stress, possibly microstructure modified layers and statistical parameters such Sa, Sq and Sz. Then, the measurements were adjusted in mathematical models, optimized and compared. The analysis of the results indicated that the adjusted models for both methods were capable of explaining satisfactorily the behavior of the response variables. Also, the use of the desirability function allowed to predict optimal values with equivalent quality between the methods. The minimal quantities, as well the abundant cooling, produced circumferential residual stresses highly compressive. On optimal conditions, the MQL presented residual stresses 37% lower the abundant cooling. Both methods produced surfaces free of significant altered layers as well surface containing significant surface altered layer. However, when detected, the altered surface layer was very thin, with thickness up to 2,35 &#956m. On optimal conditions, the MQL altered layer was 74% lower the abundant cooling. The statistical parameters indicated some advantage on the application of MQL. On optimal conditions, the minimal quantities presented better Sa roughness in 47%, and Sz, in 11%. However, the standard deviation Sq of the surface presented a value 12% higher the abundant cooling.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Hardened steel is usually machined under dry condition. Application of an overhead flood cooling generally leads to premature tool failure because the heat generated that helps the shearing process needed to form the chips is reduced by its cooling action. This work proposes to study the application of MQF (Minimum Quantity of Cutting Fluid) when turning the heat treated hardened AISI D6 steel with PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) tools and compare with the dry machining. The spray of a vegetable based cutting fluid was applied between the workpiece and the flank face of the tool. Overhead direction of the MQF and between the secondary flank face of the tool and the workpiece were also tested. Tool wear (VB), surface roughness (Ra, Rz e Rq) and cutting forces (Fx, Fy e Fz) were considered the output variables and the results were compared to those obtained when cutting in dry condition. The influence of the input parameters: cutting speed and feed rate, as well as their interactions were statistically analyzed. Considering the tool wear and the surface roughness, the application of the cutting fluid by the MQF technique in the direction between the flank face and the workpiece showed better results than the dry condition when employing the lowest feed rate of 0.05 mm/rev, regardless the cutting speed used. This cutting fluid application technique also presented good results when the cutting speed of 310 m/min was tested, regardless the feed rate employed. Therefore, this cutting speed should be recommended for high production in turning of AISI D6 steel with the MQF technique. The application of MQF through other directions (overhead and between the secondary flank face and the workpiece) also showed competitive results. / Aços temperados são geralmente usinados na condição a seco. A aplicação de uma refrigeração geralmente conduz a uma falha prematura da ferramenta porque o calor gerado durante o processo, que ajuda o cisalhamento, é reduzido pela ação refrigerante do fluido de corte. Este trabalho propõe estudar a aplicação do método de MQF (Minima Quantidade de Fluido) ao tornear o aço tratado termicamente, classe AISI D6, utilizando ferramenta de PCBN (Nitreto Cúbico de Boro Policristalino) e comparar com a condição a seco. A pulverização de um fluido de corte de base vegetal foi aplicada entre a peça de trabalho e a superfície de folga da ferramenta. A direção sobre-cabeça e entre a superfície de folga secundária e a peça também foram testadas em algumas condições de corte. O desgaste da ferramenta (VB), a rugosidade superficial (Ra, Rz e Rq) e as forças de usinagem (Fx, Fy e Fz) foram utilizadas como parâmetros de saída e seus resultados foram comparados com os resultados obtidos nos testes na condição a seco. As influências dos parâmetros de entrada: velocidade de corte e avanço, bem como suas interações, nas variáveis de saída (desgaste da ferramenta, rugosidade superficial e forças de usinagem) foram analisados através de métodos estatísticos. Considerando o desgaste da ferramenta e a rugosidade superficial da peça, a aplicação do fluido de corte pela técnica MQF na direção da superfície de folga principal apresentou melhores resultados que a condição a seco, quando se utilizou o menor avanço testado de 0,05 mm/rev, independente da velocidade de corte. Esta técnica também apresentou bons resultados quando a velocidade de corte de 310 m/min foi testada, independente do avanço. Assim, esta velocidade de corte deve ser recomendada para uma boa produção no torneamento do Aço AISI D6 com a técnica MQF. A aplicação do MQF nas outras direções (sobrecabeça e na superfície de folga secundária) também mostrou resultados competitivos. / Mestre em Engenharia Mecânica

O presente trabalho trata sobre a influência do teor de enxofre, em quatro aços com uma composição química similar (famílias ABNT 1045 e ABNT 1145), na microestrutura, nas propriedades estáticas, dinâmicas e nos processos de usinagem. Para esta análise foi feita uma caracterização microestrutural de cada material para determinar parâmetros tais como a fração de inclusões de sulfeto de manganês (MnS) e a fração volumétrica de perlita. Também foi feita uma caracterização mecânica que consistiu em ensaios estáticos mediante o ensaio de tração e dureza, e um ensaio dinâmico utilizando a barra de Hopkinson, com o objetivo de observar o comportamento das inclusões e do próprio material quando deformado com altas e baixas taxas de deformação. Para a caracterização durante a usinagem destes aços foram feitos ensaios de torneamento para avaliar as forças de corte e de avanço em velocidades de corte de 190, 110, 45 e 15 m/min. A rugosidade dos corpos-de-prova também foi medida. Os resultados obtidos nos ensaios de torneamento e da caracterização microestrutural foram analisados estatisticamente para observar variações do comportamento das forças de usinagem de cada aço sob diferentes condições de velocidade de corte, e tentar correlacionar esse comportamento com a microestrutura do material. Observou-se que o aço 1045-A apresentou forças de usinagem (força de corte e força de avanço) superiores que os demais aços, já o aço que apresentou menores forças de usinagem foi o aço 1145-B. Isto é apenas uma tendência, devido que não houve diferença estatística que avaliasse esse comportamento. Também se observou que a rugosidade é um parâmetro que depende mais da velocidade de corte que da distribuição e/ou morfologia das inclusões. Evidenciou-se a formação de aresta postiça de corte (APC) numa faixa de velocidades (15-50 m/min), o que influenciou na rugosidade para estas condições de velocidades. Verificou-se que o comportamento das inclusões em baixas taxas de deformação é de caráter frágil, entanto que em altas taxas seu comportamento é plástico e deforma junto com a matriz. / This work deals with the sulfur influence on the microstructure and on the static, dynamic and machining behavior of four steels with similar chemical composition. (ABNT 1045 and ABNT 1145). Microstructure characterization of the materials was performed in order to obtain the area fraction of the phases of perlite and sulfide inclusions. A mechanical characterization of the materials was also performed, consisting in a set of static (tension and hardness test) and dynamic tests (Split Hopkinson Pressure Bar Test) with the objective of observing the deformation behavior of the sulfide inclusions at low and high strain rates. Various machining tests were carried out at different cutting speeds, namely 190, 110, 45 e 15 m min-1, for obtaining the cutting forces during de machining process. After the machining tests, the roughness of the steels was also measured. Later on, the results of the different experiments were analyzed with statistical tools and then compared to establish a correlation between the cutting forces and microstructure. The higher cutting forces were registered for the 1045-A steel and the lower for the 1145-B steel. However, this was considered merely a trend given that no statistical difference was found to support any conclusion. It was also observed a stronger roughness dependency on the cutting speed than in the distribution and/or morphology of the inclusions. The steels were observed to form a built-up edge (BUE) in a range of cutting velocities of 15-50 m/min. This phenomenon affected the roughness for these cutting velocities. The behavior of the sulfide inclusions was observed to be brittle under low strain rates. On the other hand, under high strain rates, a plastic deformation behavior was observed with inclusions participating in the plastic flow of the metal matrix.

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.

Orientador: Olivio Novaski / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T14:11:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_SergioLuisRabelode_D.pdf: 2212505 bytes, checksum: b547ce8e7c1a1faea1a6c7468054f32f (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Os softwares CAM existentes hoje no mercado permitem facilmente automatizar a geração de programas em linguagem CNC a partir de um modelo CAD. As trajetórias da ferramenta são calculadas respeitando-se a geometria final da peça. No entanto, estes programas, em geral, não disponibilizam recursos para corretamente estimar os parâmetros de usinagem (velocidade de corte, avanço, profundidade de usinagem), bem como sua influência em grandezas relevantes ao processo, como a força de corte e a rugosidade. Cria-se, assim, um descompasso com a realidade fisica do processo. Adicionalmente, tais programas não foram desenvolvidos com abordagem didática, possuindo pré-requisitos (interface CAD, domínio de idioma estrangeiro etc.) que dificultam ao estudante o fácil aprendizado de processos de usinagem a CNC. Este trabalho busca então abordar estes problemas vivenciados por escolas técnicas, desenvolvendo um módulo computacional, acoplado a um software CNC didático comercial para torneamento, que permita a predição de esforços de usinagem e rugosidade em tempo de programação CNC. Optou-se pela técnica da rede neural como núcleo, uma vez que permite aproximações bastante satisfatórias do processo de torneamento. Os resultados indicam que os modelos de rede neurais adotados (perceptron multi-camadas e função de base radial) aproximam de forma satisfatória o comportamento da força de corte e rugosidade, em função dos parâmetros de usinagem escolhidos (velocidade de corte, avanço e profundidade de corte) em uma série de casos de uso, utilizando-se o módulo computacional desenvolvido / Abstract: The majority of CAM software in the market allows the user to easily create the CNC program through CAD models. The tool paths are ca1culated in respect to the final piece geometry. However, these software do not permit, as part of their functionality, to estimate the cutting parameters (cutting speed, feed and depth of cut), as well as their influence in process variables such as cutting force and roughness. There is, in that sense, a gap between the geometrical and physical scenario of the machining process. Additionally, such software were not developed with didactical requirements, which makes difficult to the students the learning of the machining concepts using the CNC technology. The CAD and the foreign language interface are examples of such fact. This work targets to approach these remarks which are particularly common among the Technical Schools, developing a computational module, embedded in a commercial CNC didactic software, capable of predicting cutting forces (in roughing) and surface roughness (in finishing) at programming time. It was used a neural network technique as the base core, since it allows good estimative of turning process. The results indicate that the ANN topologies (Multilayer Perpectron and Radial Basis function) correlate satisfactorily with the experimental behavior of the cutting force and roughness regarding the input parameters chosen (cutting speed, feed and depth of cut) for different cases using the software prototype / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Materiais frágeis, tal como o silício, têm sido utilizados em sistemas microeletromecânicos, semicondutores e dispositivos ópticos infravermelhos. Estes materiais são considerados de difícil usinabilidade devido à tendência de sofrerem fraturas. O grande desafio na usinagem dos materiais cristalinos é alcançar uma remoção de material por deformações plásticas (regime dúctil), pois, nessas condições as superfícies ópticas usinadas são geradas sem nenhum dano. Esse regime de usinagem pode ser alcançado em escalas submicrométricas, de forma que, em muitos cristais, as pressões impostas pela ferramenta são altas o suficiente para conduzirem uma transformação de fase do material, favorecendo, assim, a usinagem. Embora pesquisas sobre a relação entre a endentação e a usinagem tenham sido desenvolvidas, a busca por métodos matemáticos com base nas forças e deformações de endentação para serem usados em usinagem de modo a identificar as condições ótimas para remoção de material em regime dúctil não são triviais. O presente trabalho propõe uma relação mais direta com os resultados de endentação para determinar os parâmetros ótimos de usinagem dos materiais frágeis, correlacionando a área da face do endentador em contato e a área efetiva da secção de corte em usinagem. Para isso, ensaios de endentação e experimentos de usinagem com ferramenta de diamante foram realizados em escala micro e nanométrica. O material analisado aqui foi o silício monocristalino (100). Uma matriz experimental foi planejada para as possíveis correlações da variação do ângulo de saída da ferramenta e do avanço de usinagem com as áreas de endentação e o surgimento das trincas e fraturas; forças de usinagem e a pressão de transição frágil-dúctil; tensão residual; espessura crítica de corte e o estado das superfícies usinadas. Em relação às durezas obtidas, foi preciso separá-las em dois estágios: antes do surgimento das trincas durante a endentação e depois desse ponto. Durante a usinagem, a melhor remoção de material em regime dúctil foi obtida na direção mais dura do silício. Os ângulos de saída que proporcionaram resultados desfavoráveis em termos de integridade superficial foram o de -25° e ângulos mais negativos que -60°. A pressão de transição se apresentou de 12 GPa a 13 GPa, sendo que as energias específicas de corte seguiram o mesmo comportamento: 9 j/mm³ a 10 j/mm³ respectivamente. A tensão residual se mostrou inversamente proporcional às forças de usinagem. As espessuras crítica-efetivas de corte variaram de 100 nm a 560 nm. Os valores das espessuras críticas de corte estimadas pelos ensaios de endentação variaram de 200 nm a 530 nm. Portanto, foi possível mostrar que os valores de espessura crítica estimados pelo método proposto, com base nos resultados de endentação, corresponderam muito bem às espessuras críticas obtidas nos experimentos de usinagem. Assim sendo, torna-se possível determinar por meio de tal técnica os valores ótimos de usinagem, podendo ser aplicada para qualquer material cristalino. / Brittle materials, such as silicon, have been used in microelectromechanical systems, semiconductor and infrared optical devices. These types of materials are considered of difficult to machine due to the tendency to suffer fractures. The great challenge in the machining of crystalline materials is to achieve a removal of material by plastic deformations (ductile regime), because in these conditions the machined optical surfaces are generated without any superficial damage. This type of machining can be achieved on a submicrometric machining scale, so that the pressures imposed by the tool are high and lead to a phase transformation of many crystals favoring the machining in ductile regime. Although research on the relationship between microindentation and micromachining has been developed, the search for mathematical methods based on the forces and the deformations of indentation to be used in machining in order to identify the machining conditions under regime ductile are non-trivial. The present work proposes a more direct relationship with the results of the indentation to determine the optimal parameters of the fragile materials, correlating the indenter face area and the cutting section effective area in machining. For this purpose, indentation tests and diamond tool machining experiments were carried out on a micro and nanometric scale. The material analyzed here was monocrystalline silicon (100). An experimental matrix was planned for the possible correlations of the variation of the tool rake angle and of the machining feed with the areas of indentation and the beginning of cracks and fractures; cutting forces and the fragile-ductile transition pressure; residual stress; critical cutting thickness and the state of machined surfaces. In relation to the hardness obtained, it was necessary to separate them in two stages: before the emergence of the cracks during the indentation and after that point. During machining, the best removal of ductile material was obtained in the hardest direction of the silicon. The rake angles which gave unfavorable results in terms of surface integrity were -25° and angles more negative than -60°. The transition pressure reached values from 12 GPa to 13 GPa, and the specific shear energies followed the same behavior: 9 j/mm³ at 10 j/mm³ respectively. The residual stress was inversely proportional to the machining forces. Critical-effective uncut thicknesses ranged from 100 nm to 560 nm. The values of the critical uncut thicknesses estimated by the indentation tests ranged from 200 nm to 530 nm. Therefore, it was possible to show that the critical thickness values estimated by the proposed method, based on indentation results, corresponded very well to the critical thickness obtained in the machining experiments. Thus, it is possible to determine by means of such a technique the optimum values of machining, which can be applied to crystalline material.

Este trabalho tem a intenção de contribuir com informações sobre a integridade superficial resultante do processo de torneamento em material endurecido de componentes mecânicos fabricados em aço cementado ABNT 8620 (DIN 21 NiCrMo 2). A análise das tensões residuais do corpo de prova foi experimentalmente conduzida pelo Método do Furo Cego Incremental, no qual um pequeno furo é introduzido na superfície do componente e a deformação aliviada é registrada por meio de extensômetros especiais, e também, pelo método da difração de raios-X. A superfície foi analisada através de parâmetros obtidos do mapeamento tridimensional da topografia superficial com instrumento de interferometria laser. Os parâmetros de rugosidade, selecionados para medição, visaram uma caracterização funcional das superfícies obtidas, tais como capacidade de carga, capacidade de retenção de fluidos lubrificantes e resistência ao desgaste. Também foram executados ensaios metalográficos para avaliar a existência de camadas de material alteradas abaixo da superfície. Os resultados indicaram que o torneamento em material endurecido foi capaz de produzir uma superfície resultante com boa área de contato, boa capacidade de carregamento e razoável capacidade de retenção de fluidos uma vez que nem todos os parâmetros se encontraram na faixa funcional ideal. O torneamento em material endurecido induziu tensão de compressão nas camadas das amostras cementadas, cuja condição original era tensão residual de tração. Não foram detectadas alterações expressivas na camada cementada, principalmente na região limítrofe da área transversal com a superfície devido ao aquecimento e rápido resfriamento imposto pelo processo de usinagem. / The aim of the present work is to provide relevant information regarding the obtained surface integrity during hard turning process of mechanical components manufactured from case hardened steel ABNT 8620 (DIN 21 NiCrMo 2). The sample residual stress analysis has been experimentally conducted by the incremental Blind Hole method, in which a small hole is machined on the surface of the component and the relieved deformation is recorded through special strain gages, and by the X-ray diffraction technique. The surface was examined by parameters obtained from the surface topography three-dimensional mapping with a laser interferometer instrument. The selected roughness parameters analysis intends to have a functional characterization such as bearing capacity, fluid and lubricants retention ability and contact wear resistance. In the search for altered material layers beneath the surface, metallographic studies were carried out. The functional bearing area curve analysis parameters indicated that the resulting surface has a good area contact, good bearing capacity and reasonable ability to fluid retention as the reduced valley depth parameter did not produced negative values for all conditions tested. The hard turnig process was able to add compression residual stress condition at the surface, and no significant changes were found at the case hardened layer due to rapid heating and cooling imposed by the hard turning process.

O material, metálico ferro fundido cinzento, é muito utilizado industrialmente, principalmente na área automobilística. Usinagem com alta velocidade tem sido uma tendência atual para aumentar a produtividade, com a possibilidade de se ober ótima qualidade superficial, possivelmente eliminando processos subseqüentes. Aliado à questão de qualidade ambiental, as operações de usinagem têm-se voltado para usinagem a seco ou com mínima quantidade de lubrificante (MQL - minimal quantity of lubricant). Este trabalho estuda o torneamento com alta velocdidade de ferro fundido cinzento GG25 através de usinagem a seco e com MQL. Utiliza-se, em operação de faceamento, ferramenta de cerâmica mista (Al2O3+ TiC) e metal duro com cobertura (TiCN/Al2O3/TiN), usando velocidades de corte muito acima dos valores tradicionais. Comparativamente o desgaste é significativamente menor na cerâmica. O tipo de desgaste predominante é o desgaste de flanco. Os principais mecanismos de desgaste encontrados são abrasão mecânica e delaminação. O aumento do avanço diminui o desgaste de flanco. Existe uma razão entre a vazão de óleo e a vazão de ar na lubrificação MQL que viabiliza sua aplicacão com relação ao desgaste de flanco. Em todas as condições testadas, o sistema MQL mostra ser capaz de reduzir a rugosidade superficial Ra. / The gray cast iron material is very used industrially, mainly in the automotive industry. High speed machining is the current tendency to increase the productivity, with the possibility of obtaining good surface quality, possibly eliminating subsequent operations. Due to regulations on the subject of environrnental quality, the machining operations have been turned to dry machining or minimal quantity of lubricant (MQL). This work studies the turning process at high speed of gray cast iron GG25 with dry machining and MQL techniques. The operation uses face turning with coated carbide (TiCN/Al2O3/TiN) and mixed alumina ceramic (Al203+ TiC) with cutting speeds much higher than the traditional recommended values. Comparatively, the wear is significantly smaller in the mixed alumina ceramic tools. The predominant type of wear is the flank wear. The main wear mechanisms are mechanical abrasion and delamination. The increase of feed values shows some reduction on the flank wear. It seems to exist an ideal ratio of oil to air in the MQL system, which makes possible its application for reducing flank wear on the tools. In all conditions tested, the MQL system shows to be able to reduce surface roughness (Ra).

Materiais frágeis, tal como o silício, têm sido utilizados em sistemas microeletromecânicos, semicondutores e dispositivos ópticos infravermelhos. Estes materiais são considerados de difícil usinabilidade devido à tendência de sofrerem fraturas. O grande desafio na usinagem dos materiais cristalinos é alcançar uma remoção de material por deformações plásticas (regime dúctil), pois, nessas condições as superfícies ópticas usinadas são geradas sem nenhum dano. Esse regime de usinagem pode ser alcançado em escalas submicrométricas, de forma que, em muitos cristais, as pressões impostas pela ferramenta são altas o suficiente para conduzirem uma transformação de fase do material, favorecendo, assim, a usinagem. Embora pesquisas sobre a relação entre a endentação e a usinagem tenham sido desenvolvidas, a busca por métodos matemáticos com base nas forças e deformações de endentação para serem usados em usinagem de modo a identificar as condições ótimas para remoção de material em regime dúctil não são triviais. O presente trabalho propõe uma relação mais direta com os resultados de endentação para determinar os parâmetros ótimos de usinagem dos materiais frágeis, correlacionando a área da face do endentador em contato e a área efetiva da secção de corte em usinagem. Para isso, ensaios de endentação e experimentos de usinagem com ferramenta de diamante foram realizados em escala micro e nanométrica. O material analisado aqui foi o silício monocristalino (100). Uma matriz experimental foi planejada para as possíveis correlações da variação do ângulo de saída da ferramenta e do avanço de usinagem com as áreas de endentação e o surgimento das trincas e fraturas; forças de usinagem e a pressão de transição frágil-dúctil; tensão residual; espessura crítica de corte e o estado das superfícies usinadas. Em relação às durezas obtidas, foi preciso separá-las em dois estágios: antes do surgimento das trincas durante a endentação e depois desse ponto. Durante a usinagem, a melhor remoção de material em regime dúctil foi obtida na direção mais dura do silício. Os ângulos de saída que proporcionaram resultados desfavoráveis em termos de integridade superficial foram o de -25° e ângulos mais negativos que -60°. A pressão de transição se apresentou de 12 GPa a 13 GPa, sendo que as energias específicas de corte seguiram o mesmo comportamento: 9 j/mm³ a 10 j/mm³ respectivamente. A tensão residual se mostrou inversamente proporcional às forças de usinagem. As espessuras crítica-efetivas de corte variaram de 100 nm a 560 nm. Os valores das espessuras críticas de corte estimadas pelos ensaios de endentação variaram de 200 nm a 530 nm. Portanto, foi possível mostrar que os valores de espessura crítica estimados pelo método proposto, com base nos resultados de endentação, corresponderam muito bem às espessuras críticas obtidas nos experimentos de usinagem. Assim sendo, torna-se possível determinar por meio de tal técnica os valores ótimos de usinagem, podendo ser aplicada para qualquer material cristalino. / Brittle materials, such as silicon, have been used in microelectromechanical systems, semiconductor and infrared optical devices. These types of materials are considered of difficult to machine due to the tendency to suffer fractures. The great challenge in the machining of crystalline materials is to achieve a removal of material by plastic deformations (ductile regime), because in these conditions the machined optical surfaces are generated without any superficial damage. This type of machining can be achieved on a submicrometric machining scale, so that the pressures imposed by the tool are high and lead to a phase transformation of many crystals favoring the machining in ductile regime. Although research on the relationship between microindentation and micromachining has been developed, the search for mathematical methods based on the forces and the deformations of indentation to be used in machining in order to identify the machining conditions under regime ductile are non-trivial. The present work proposes a more direct relationship with the results of the indentation to determine the optimal parameters of the fragile materials, correlating the indenter face area and the cutting section effective area in machining. For this purpose, indentation tests and diamond tool machining experiments were carried out on a micro and nanometric scale. The material analyzed here was monocrystalline silicon (100). An experimental matrix was planned for the possible correlations of the variation of the tool rake angle and of the machining feed with the areas of indentation and the beginning of cracks and fractures; cutting forces and the fragile-ductile transition pressure; residual stress; critical cutting thickness and the state of machined surfaces. In relation to the hardness obtained, it was necessary to separate them in two stages: before the emergence of the cracks during the indentation and after that point. During machining, the best removal of ductile material was obtained in the hardest direction of the silicon. The rake angles which gave unfavorable results in terms of surface integrity were -25° and angles more negative than -60°. The transition pressure reached values from 12 GPa to 13 GPa, and the specific shear energies followed the same behavior: 9 j/mm³ at 10 j/mm³ respectively. The residual stress was inversely proportional to the machining forces. Critical-effective uncut thicknesses ranged from 100 nm to 560 nm. The values of the critical uncut thicknesses estimated by the indentation tests ranged from 200 nm to 530 nm. Therefore, it was possible to show that the critical thickness values estimated by the proposed method, based on indentation results, corresponded very well to the critical thickness obtained in the machining experiments. Thus, it is possible to determine by means of such a technique the optimum values of machining, which can be applied to crystalline material.