Siyaset

Geralmente, a retificação de materiais duros e frágeis é baseada na geração de microtrincas laterais que deterioram a qualidade superficial. Portanto, a transição de mecanismo de remoção de frágil para dúctil é considerada de extrema importância para a retificação de ultraprecisão (BRINKSMEIER et al., 2010).

O parâmetro mais importante para a transição do comportamento frágil para dúctil na remoção de cavaco é a condição de tensão no material da peça na vizinhança do contato com a aresta cortante. Da teoria da plasticidade e do mecanismo de fratura sabe-se que o grau de deformação plástica depende da temperatura, taxa de deformação, assim como da tensão de tração e compressão multiaxial (BRINKSMEIER et al., 2010).

A Figura 2.32 ilustra a hipótese de Coulomb-Morh, Mohr1 _{(1900 apud}

BRINKSMEIER et al., 2010), que descreve os estados de tensão de tração e compressão multiaxial em peças cristalinas e amorfas que não podem tolerar elevadas tensões de tração

A partir desta hipótese foi derivado que campos de tensões hidrostáticas de compressão no plano de cisalhamento são necessários para o corte dúctil de materiais duros e frágeis (KÁRMÁN, 1911; BRIDGMAN, 1947; BRIDGMAN e SIMON, 1953; MARSH, 1964; SAKKA e MACKENZIE, 1969; BRINKSMEIER et al., 2010).

Vários pesquisadores investigaram o comportamento de materiais duros e frágeis submetidos à compressão hidrostática (KÁRMÁN, 1911; BRIDGMAN, 1947 e 1953; MARSH, 1964; SAKKA e MACKENZIE, 1969). Estes trabalhos mostram que esses materiais podem ser usinados no modo dúctil, ou seja, com fluxo visco-plástico de material, se as tensões hidrostáticas de compressão e cisalhamento forem suficientemente altas.

1 _{MOHR, O. (1900). Welche Umstände bedingen die Elastizitätsgrenze und den Bruch eines Materials.}

Segundo Brinksmeier, Rickens e Grimme (2001), a profundidade crítica de corte pode ser aumentada de menos de 50 nm, a pressão ambiente, para 850 nm, aproximadamente, sob pressão hidrostática de 200 MPa.

Figura 2.32 – Influência do estado de tensão na resistência à ruptura por cisalhamento, B, tensão de escoamento por cisalhamento, F, e deformação plástica de materiais duros e frágeis

(Adaptado de MOHR, 1900 apud BRINKSMEIER et al., 2010).

Nos processos abrasivos, o início da remoção de material se dá pelo contato mecânico seguido pelo movimento relativo entre a ferramenta e a peça. A ferramenta (ou disco) que contém os abrasivos fixos aglutinados por um ou mais tipos de ligantes é chamada rebolo. Este contempla o mecanismo de abrasão dois corpos, encontrado principalmente na retificação, para rápida remoção de material (MALKIN, 1989; SHAW, 1996; MARINESCU et al., 2004; MARINESCU et al., 2007).

Quando os abrasivos não estão ancorados, eles estão livres para rolar entre a peça e a superfície funcional de referência, nesse caso, o mecanismo é chamado de abrasão três corpos. Na lapidação, ambos os mecanismos podem acontecer dependendo da ductilidade e acabamento do disco de lapidação, mas preferencialmente há abrasão três corpos (TOUGE e MATSUO, 1996; MARINESCU et al., 2007; EVANS, 2003).

Na Lapidação, segundo Touge e Matsuo (1996), a abrasão três corpos produz taxa de remoção cerca de três vezes maior que a abrasão dois corpos para uma mesma pressão.

Na retificação, no entanto, a ferramenta de grãos fixos remove mais material, pois exerce maior esforço e velocidade de corte devido ao ancoramento do abrasivo e a maior rigidez da ferramenta. Normalmente, quanto maior a dureza/rigidez, resistência mecânica e

Deformação plástica Usinagem

dúctil possível

Resistência à ruptura por cisalhamento B

Tensão de escoamento por cisalhamento F L im ite de resis tê ncia à traç ão T

adesão do ligante ao abrasivo, maiores serão os esforços admitidos pelo rebolo e remoção (MALKIN 1989, SHAW, 1996; MARINESCU et al., 2004; MARINESCU et al., 2007).

Em virtude das diferenças nas propriedades mecânicas e físicas dos materiais, podem-se distinguir quatro mecanismos envolvidos na remoção de material, ilustrados na Figura 2.33. São eles o microsulcamento (microplowing), microcorte (microcutting), microtrincamento (microcracking) (BUSCH, 1968; SWAIN, 1979; ZUM, 1987; BIFANO e YI, 1992; KOCH, 1992; NAMBA, ABE e KOBAYASHI, 1993) e microranhuramento (microgrooving), mais comum na usinagem de vidros (SINHOFF, 1997).

No microsulcamento ocorre, quase que exclusivamente, deformação plástica do material em direção às bordas do sulco com desprezível remoção de material. Na usinagem por abrasão, a interação consecutiva de vários grãos ou a repetida atuação de um grão pode levar ao destacamento da borda do sulco em um baixo número de ciclos pela excessiva deformação plástica oriunda de tensão variável, mecanismo fundamentado pela fadiga de baixo ciclo ou fadiga oligocíclica (low-cycle fatigue) (AMZALLAG, LEIS e RABBE, 1982).

O microcorte, por sua vez, é caracterizado pela formação de cavaco com volume muito próximo ao do sulco gerado. A presença tanto do microsulcamento quanto do microcorte se verifica, principalmente, durante a usinagem de materiais dúcteis ou na usinagem de material frágil em regime dúctil.

Nas frágeis cerâmicas, é comum observar o mecanismo de remoção por microtrincamento, no qual as trincas se formam e se propagam lateralmente, levando ao destacamento de material. Neste caso, o volume removido pode ser várias vezes superior ao volume do sulco, uma vez que as arestas de corte encontram superfícies fragilizadas por usinagens anteriores (ZUM, 1987).

O microranhuramento, da mesma forma que o microsulcamento, provoca grande deformação plástica da peça. Altas tensões de compressão são consequência direta do desgaste da aresta de corte que tenta esmagar a superfície, aumentando a pressão específica de corte (SINHOFF, 1997).

Os mecanismos de microranhuramento e microsulcamento podem acontecer também em vidros e dependem do raio de ponta do grão e da sua geometria global (MARSH, 1964; ZUM, 1987). Estes mecanismos promovem não só deformação lateral, mas também a compressão do material na direção da usinagem (SCHINKER e DÖLL, 1987). O aumento da profundidade de corte promove o microcorte. Eventualmente, aumento extra da profundidade de corte conduz ao microtrincamento subsuperficial da peça.

Figura 2.33 – Interação física entre partículas abrasivas e a superfície da peça na retificação (Adaptado de ZUM, 1987 e SINHOFF, 1997).

Foi a partir da década de 1990 que pesquisadores começaram a prestar mais atenção aos aspectos da microestrutura cerâmica no intuito de melhorar sua usinabilidade e não somente através dos estudos das influências dos parâmetros de usinagem. Pesquisas demonstraram que cerâmicas com microestrutura heterogênea (consistindo de grãos grosseiros e alongados, presença de segunda fase e contornos de grãos fracos) suportam acentuadas taxas de remoção e frequentemente menores esforços de retificação em comparação as microestruturas mais homogêneas (PADTURE et al., 1995; XU e JAHANMIR, 1995a).

A ligação entre a microestrutura e o modo de remoção de material na usinagem abrasiva está relacionada ao efeito do controle da microestrutura no comportamento das cerâmicas. A natureza do dano subsuperficial na retificação de cerâmicas heterogêneas ocorre na forma de microtrincas intergranulares distribuídas e desalojamento de grãos, ao contrário de grandes trincas intragranulares nos materiais mais homogêneos (XU e JAHANMIR, 1995b; XU, JAHANMIR e IVES, 1996).

A resistência à fratura é menos afetada pela formação de microtrincas em cerâmicas heterogêneas (PADTURE et al., 1995; XU e JAHANMIR, 1995a; XU e JAHANMIR, 1995b; XU, JAHANMIR e IVES, 1996).

Koch1,2 _{(1991 e 1992), König e Meyer}3 _{(1993) apud Brinksmeier et al. (2010)}

demonstraram que a geração de pressão isostática e a manutenção da espessura crítica de cavaco são pré-requisitos para a retificação dúctil isenta de trincas em vidros ópticos. A retificação livre de falhas em regime dúctil de materiais duros e frágeis requer uma espessura máxima de cavaco, hcu,max, que não exceda a espessura específica crítica de cavaco do

material, hid,crit, para não iniciar trincas.

Microranhuramento Microsulcamento Microcorte Microtrincamento

1 _{KOCH, N. (1991). Technologie zum Scheifen asphärischer optischer Lisen. German Ph.D. Thesis, Rheinisch-}

Weastfälische Technische Hochschule Aachen.

2 _{KOCH, N. (1992). Duktile Bearbeitung optischer Gläser zur Herstellung asphärischer optischer Linsen.}

Industrial Diamond Review IDR, v.2, p.118-126.

3 _{KÖNIG, W.; MEYER, H.P. (1993). Überwachung des Abricht- und Schleifprozesses – ein wichtiger Schritt}

Ensaios de indentação realizados por Marshall, Lawn e Cook (1987) relacionaram a espessura específica crítica de cavaco dos materiais com o módulo de Young, E, dureza Knoop, HK, e a tenacidade à fratura crítica, Kc, na qual hid,crit pode ser estimada por:

, (2.18)

Bifano1 (1988) e Bifano, Dow e Scartegood2,3 (1988 e 1991) apud Brinksmeier et al. (2010) determinaram a constante de proporcionalidade da Equação 2.18 por meio de ensaios de indentaçãoe hid,crit baseado nos processos de retificação para determinar a transição dúctil-

frágil. Em ensaios de retificação de diferentes materiais frágeis foi encontrado o valor de aproximadamente 0,15 para a constante.

Koch4 (1992) apud Brinksmeier et al. (2010) determinou a profundidade crítica de corte, ae,crit, para diferentes tipos de vidros ópticos e para a cerâmica vítrea Zerodur (Figura

2.34). Dependendo principalmente das propriedades do material, ae,crit pode variar de poucos

nanômetros até alguns micrometros.

Esses resultados foram confirmados, de acordo com Brinksmeier et al. (2010), por experimentos de usinagem de vidros com ferramenta especial de apenas uma aresta, no caso uma única partícula abrasiva, (MOLLY, SCHINKER e DOELL, 1987; SCHINKER e DÖLL, 1987; YOSHIOKA et al., 1982), materiais semicondutores (DANYLUK, 1986) e cerâmicas técnicas (SWAIN, 1979; TOH e MCPHERSON, 1986), que demonstraram a dependência do mecanismo de remoção com a profundidade e forças de corte.

Segundo Huang (2003), a zircônia Y-PZT apresenta transição dúctil-frágil em profundidades de retificação muito superiores a maioria das cerâmicas, aproximadamente 0,5 µm.

1 _{BIFANO, T.G. (1988). Ductile Regime Grinding of Brittle Materials. Thesis (PhD) - North Carolina State}

University, 1988. Raleigh, North Carolina.

2 _{BIFANO, T.G.; DOW, T.A.; SCATTERGOOD, V. (1991) Ductile-Regime Grinding: A new Technology for}

Machining Brittle Materials. In: ASME, 113., 1991. Journal of Engineering for Industry Transactions of the ASME. p.184-189.

3 _{BIFANO, T.G.; DOW, T.A.; SCATTERGOOD, R.O. (1988). Ductile-regime grinding of brittle materials:}

experimental results and the development of a model. In: SPIE, 1988, local. Proceedings of the SPIE. p.108- 115.

4 _{KOCH, N. (1992). Duktile Bearbeitung optischer Gläser zur Herstellung asphärischer optischer Linsen.}

Figura 2.34 – Profundidade de corte crítica, ae,crit, de vidros ópticos (Adaptado de KOCH, 1992).

Exclusivamente em relação aos materiais frágeis policristalinos, sobretudo os de contornos de grãos fracos como as cerâmicas de grãos grosseiros e/ou heterogêneos, também se observa a remoção de material produzida pela propagação de trincas nos contornos de grãos, fazendo com que eles sejam desalojados do material. Neste caso, a sucessiva passagem da ferramenta sobre a peça, após cada passe, faz com que as trincas se propaguem cada vez mais, e o volume de remoção de material aumente substancialmente, através desse mecanismo de fratura intergranular (ZUM, 1987; JAHANMIR, RAMULU e KOSHY, 1999).