artigo usinagem por ultra son (2)

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Apresentado no COBEF 2003 – II Congresso Brasileiro de Manufatura, 18 a 21 de maio 
de 2003, Uberlândia, MG. Brasil.
Trabalho aceito em outubro de 2003. Editor Técnico: Alisson Rocha Machado
PL Guzzo et al
Usinagem de duros e quebradiços
Materiais
Um estudo comparativo sobre ultra-som
Embora o Brasil seja um dos mais importantes fornecedores de matérias-
primas para a produção de componentes funcionais e estruturais para sistemas 
de alto desempenho, pesquisas fundamentais e aplicadas relacionadas à 
usinagem de materiais frágeis e duros ainda são incipientes.
1997). Cerâmicas funcionais e monocristais são amplamente utilizados na 
produção de componentes elétricos, eletrônicos, magnéticos e ópticos para 
sistemas de alto desempenho, como transdutores, ressonadores, atuadores e 
sensores (Fraden, 1996). As últimas duas décadas viram um tremendo 
ressurgimento no uso de cerâmicas avançadas em aplicações estruturais, como 
rolamentos de rolos e deslizantes, motores diesel adiabáticos, ferramentas de 
corte, etc.
ABCM
usinagem, usinagem a laser e processos de usinagem abrasiva (Snoyes 1986, 
Nakazawa 1994).
Os processos convencionais de conformação e sinterização de pós 
cerâmicos não fornecem necessariamente a alta precisão dimensional e a boa 
qualidade de superfície necessária para componentes funcionais e estruturais. 
Da mesma forma, os dispositivos funcionais construídos com monocristais 
frequentemente apresentam estruturas monolíticas com formas complexas que 
não podem ser alcançadas durante o processo de crescimento do cristal.
Sólidos duros são invariavelmente rígidos, resistentes e resistentes ao 
desgaste. Por outro lado, sólidos duros normalmente exibem fratura frágil 
estatisticamente variável e alta sensibilidade a danos de usinagem. Quando 
carregados com tensões de tração, os sólidos duros passam do comportamento 
elástico para o de fratura e invariavelmente falham pela extensão da trinca. 
Assim, os sólidos duros são geralmente frágeis, ou seja, têm pequena 
capacidade de converter energia elástica em deformação plástica à temperatura ambiente (Dieter, 1981).
Experimentos de usinagem ultrassônica foram então realizados para usinar 
alumina, zircônia, quartzo, vidro de soda-cal, ferrita e LiF. As taxas de corte e 
as topografias das superfícies usinadas foram medidas sob uma condição de 
operação fixa. Os resultados foram discutidos em relação às propriedades 
mecânicas da peça e modelos analíticos de remoção de material e rugosidade 
superficial.
µ
Os sólidos frágeis e duros podem ser classificados em quatro grupos: 
minerais, agregados cerâmicos policristalinos (tradicionais e avançados), 
monocristais e vidros amorfos. Os minerais são frequentemente usados como 
matéria-prima na produção de uma grande variedade de produtos, como 
abrasivos, pedras preciosas, metais e ligas, monocristais produzidos 
sinteticamente em escala comercial, etc. na vida diária. Cerâmicas avançadas 
têm sido amplamente adotadas como materiais de engenharia funcional e 
estrutural (Chiang et al.
56 / Vol. XXVI, nº 1, janeiro-março de 2004
Por outro lado, a balança comercial brasileira costuma ser conturbada pela 
importação em massa de dispositivos ópticos e eletrônicos construídos com 
cerâmicas avançadas e monocristais. Além disso, espera-se que as indústrias 
instaladas no Brasil que lidam com máquinas automotivas, aeronáuticas e 
agrícolas aumentem suas atividades nos próximos anos. Nesse caso, também 
será esperada uma quantidade crescente de componentes funcionais e 
estruturais feitos com materiais avançados. Nessas circunstâncias, os esforços 
para investigar a usinabilidade de sólidos frágeis e duros por processos de 
fabricação de precisão contribuiriam para o desenvolvimento de uma rede de 
fornecedores nacionais de materiais e dispositivos avançados.
Palavras-chave: Usinagem ultrassônica, fratura, topografia superficial, cerâmica, cristais
A usinagem ultrassônica oferece uma solução para a crescente necessidade 
de usinagem de materiais frágeis, como monocristais, vidros e cerâmicas 
policristalinas, e para aumentar as operações complexas para fornecer formas 
e perfis de peças intrincados. Este processo de usinagem é não térmico, não 
químico, não cria nenhuma alteração na microestrutura, propriedades químicas 
ou físicas da peça e oferece superfícies usinadas praticamente livres de tensão 
(Kramer 1995, Thoe et al. 1998). É, portanto, amplamente utilizado na fabricação 
de materiais duros e quebradiços que são difíceis de cortar por outros métodos 
convencionais. O corte real é realizado por partículas abrasivas
Processos abrasivos de precisão são comumente empregados para usinar vidros, monocristais e materiais 
cerâmicos para várias aplicações industriais. Até o momento, a usinagem de precisão de sólidos duros e 
frágeis é pouco investigada no Brasil do ponto de vista fundamental e aplicado. Considerando a grande 
importância tecnológica deste assunto para a produção de componentes funcionais e estruturais utilizados 
em sistemas de alto desempenho, o presente estudo investigou a abrasão ultrassônica de diferentes 
materiais de peças - alumina, zircônia, quartzo, vidro, ferrita e LiF - utilizando uma máquina ultrassônica 
estacionária. Os experimentos foram conduzidos usando uma ferramenta de corte retangular e partículas 
de SiC com tamanho médio de grão de 15m. As superfícies usinadas foram caracterizadas por perfilometria 
de superfície e microscopia eletrônica de varredura. No caso de alumina, zircônia e quartzo, as taxas de remoção de material diminuem com 
a profundidade de usinagem. A taxa de remoção de material permaneceu constante para os demais 
materiais. As micrografias mostraram que a microfissuração frágil foi o principal mecanismo envolvido na 
remoção do material. As taxas de remoção de material e as topografias das superfícies usinadas foram 
discutidas em função da rigidez intrínseca, dureza e tenacidade à fratura dos materiais da peça.
Assim, tecnologias de usinagem de precisão foram desenvolvidas para a 
fabricação de peças de precisão econômicas e com garantia de qualidade 
produzidas por sólidos frágeis e duros. Diversas técnicas de usinagem podem 
ser citadas como torneamento diamantado, ionização e feixe de elétrons.
No presente trabalho, são investigados aspectos preliminares da usinagem 
ultrassônica de sólidos frágeis e duros. Como a usinagem ultrassônica não é 
amplamente adotada pelas indústrias manufatureiras brasileiras, a primeira 
parte deste artigo foi dedicada a relembrar o princípio de funcionamento e as 
principais características desse processo.
PL Guzzo e AH 
Shinohara 
Departamento de Engenharia 
Mecânica Universidade Federal 
de Pernambuco 
Cidade Universitária 
50740-530 
Recife, PE. Brasil pguzzo@ufpe.br shinohara@ufpe.br
AA Raslan
Introdução
Uma Pesquisa sobre Usinagem Ultrassônica Estacionária
1
Faculdade de Engenharia Mecânica 
Universidade Federal de Uberlândia 
Campus Sta. Mônica 
38400-902 Uberlândia, MG. Brasil 
ltm-raslan@ufu.brMachine Translated by Google
~
Um estudo comparativo sobre usinagem ultrassônica de materiais duros e quebradiços
Figura 1. Representação esquemática do aparelho USM.
transdutor
Procedimento experimental
bombear
Gerador de energia 
elétrica
tanque de lama
ferramenta
peça de trabalho
sonotrodo
amplificador 
mecânico
Resultados e discussão
Soundararajan e Radhakrishnan (1986) mostraram que o martelamento direto 
das partículas abrasivas na peça de trabalho pela ferramenta, resultando em 
remoção de material e esmagamento de partículas, pode contribuir com até 80% 
da remoção de material em sólidos frágeis como o vidro.
Pequenos blocos de 5 mm de espessura de alumina, zircônia, LiF, quartzo 
e vidro de soda-cal foram empregados como materiais da peça para os testes de 
usinagem ultrassônica. Também foram utilizadas hastes de ferrita com 10 mm de 
espessura e 23 mm de diâmetro. No caso de LiF e quartzo a direção de usinagem 
foi normal aos planos {111} e {11 2 0}, respectivamente.
Efeitos de cavitação da pasta abrasiva e ação química associada ao fluido 
empregado foram relatados como mecanismos menores de remoção de material. 
A taxa de remoção de material, acabamento de superfície e precisão de usinagem 
são influenciados por vários parâmetros operacionais, como amplitude e 
frequência de oscilações ultrassônicas, carga estática aplicada no sonotrodo, 
design da ferramenta, dureza e tamanho das partículas abrasivas (Thoe et al, 
1998 e artigos aqui) . O efeito das propriedades do material na taxa de remoção 
de material foi analisado por e Komaraiah e Reddy (1993).
suspenso em um fluido, ou por uma ferramenta giratória banhada a diamante. 
Essas variantes são conhecidas respectivamente como usinagem ultrassônica 
estacionária e usinagem ultrassônica rotativa (RUM).
Os controles incluem força de corte variável, posição do aríete, controle de 
velocidade do movimento do aríete, tempo de ciclo, distância de retração e tempo 
de descarga.
os valores para SiC padrão variam em torno de 440 GPa, 25 GPa e 4,5 MPa.m1/2, 
respectivamente. A ferramenta de corte de seção transversal retangular maciça 
com 8,2x1,4mm2 e 15mm de comprimento foi fabricada em aço inoxidável por 
processos convencionais de usinagem.
A taxa de remoção de material ou taxa de corte (CR) foi determinada 
medindo-se o tempo gasto para usinar uma determinada profundidade (p) em 
várias etapas de usinagem. O valor de p foi ajustado entre 20 e 200 µm 
dependendo da usinabilidade da peça. Os perfis de rugosidade das superfícies 
obtidos pelo USM foram medidos com um perfilômetro Rank Taylor Robson, tipo 
Surtronic 3+, utilizando um valor de corte de 0,8 mm. A média da linha central 
(Ra) e a média das alturas pico-vale (Rz) foram escolhidas para caracterizar as 
topografias das superfícies usinadas. Utilizando um microscópio Carl Zeiss DSM 
94A, a microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi empregada para caracterizar 
os micromecanismos relacionados à remoção de material sob condição de 
abrasão ultrassônica.
Do ponto de vista tribológico, o USM pode ser classificado como um desgaste 
abrasivo de três corpos. A remoção do material é assegurada pelo martelamento 
direto e pela ação de impacto das partículas abrasivas contra a superfície da 
peça (Shawn, 1956; Kainth et al., 1979).
A Figura 2 ilustra a variação da taxa de corte (CR) em função da profundidade 
de corte (p) para todos os materiais da peça aqui investigados. Dois 
comportamentos diferentes são notados. No caso de alumina, zircônia e quartzo, 
CR diminui com p na primeira metade
O gerador eletrônico alimenta o transdutor, criando impulsos que ocorrem na 
faixa de 19,5 a 20,5 kHz, e ajusta automaticamente a frequência de saída para 
combinar a frequência de ressonância da ferramenta, que varia de acordo com a 
forma e o material do sonotrodo (Thoe et al. 1998 e documentos aqui). O 
transdutor converte os pulsos elétricos em curso vertical. Este curso vertical é 
transferido para o booster, que pode amplificar ou suprimir a quantidade de curso. 
O curso modificado é então retransmitido para o conjunto da ferramenta 
sonotrodo. A amplitude ao longo da face da ferramenta normalmente cai em uma 
faixa de 20 a 50 µm. A amplitude de vibração é geralmente igual ao diâmetro do 
grão abrasivo utilizado. A Tabela 1 mostra as propriedades estruturais e mecânicas dos materiais 
da peça. Os valores de dureza (H) e tenacidade à fratura (K1c) das amostras de 
LiF, quartzo e vidro foram determinados pelo método de indentação estática 
utilizando o indentador Vickers (Guzzo et al., 2001). Os valores de H e K1c para 
os demais materiais correspondem a valores médios coletados de diferentes 
referências.
Janeiro-Março de 2004, Vol. XXVI, nº 1/57
O overcut produzido com USM é uma função do tamanho das partículas 
abrasivas, assim como o acabamento da superfície e as taxas de remoção de 
material (Komaraiah et al. 1988, Thoe et al. 1998). Os controles do operador 
fornecem entradas para o sequenciamento manual ou automático das operações.
O sistema de grão fornece uma pasta de água e grão abrasivo, geralmente 
silício ou carboneto de boro, para a área de corte. Além de fornecer partículas 
abrasivas ao corte, a pasta também resfria o sonotrodo e remove partículas e 
detritos da área de corte.
Os experimentos de USM foram realizados em uma máquina estacionária 
Sonic Mill com potência de 1790 W. Um transdutor PZT eletrostritivo converte as 
oscilações elétricas em vibrações mecânicas na faixa de frequência de 20 kHz. 
A amplitude de vibração foi fixada no valor mínimo e ficou próxima a 25 µm na 
ponta da ferramenta de corte. A carga estática aplicada no sonotrodo foi mantida 
em 25 N durante todo o experimento. A pasta abrasiva foi feita com carbeto de 
silício (SiC) com granulometria média de 15 µm (600 mesh) e água na proporção 
1:2,5 em volume. E, H e K1c
J. do Braz. Soc. de Mec. Sci. & Eng.
A usinagem ultrassônica (USM) estacionária (ou convencional) realiza a 
remoção do material pela ação abrasiva de uma pasta carregada de granalha, 
circulando entre a peça de trabalho e uma ferramenta que é vibrada em pequena 
amplitude. A própria ferramenta de forma não desgasta a peça; a ferramenta 
vibratória excita os grãos abrasivos no fluido de lavagem, fazendo com que eles 
desgastem suavemente e uniformemente o material, deixando uma forma inversa 
precisa da forma da ferramenta. A uniformidade da vibração da ferramenta 
sonotrodo limita o processo a formar pequenas formas tipicamente com menos 
de 100 mm de diâmetro (Thoe et al. 1998 e artigos aqui).
Copyright © 2004 por ABCM
O sistema USM inclui o conjunto sonotrodo-pedágio, o gerador, o sistema 
de grão e os controles do operador. Uma representação esquemática da 
configuração do USM é mostrada na Fig. 1. O conjunto da ferramenta sonotrodo 
consiste em um transdutor, um reforço e um sonotrodo.
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CR (µm/ s) CR (µm/ s)
PL Guzzo et al
Tabela 1. Propriedades estruturais e mecânicas dos materiais da peça.
E – módulo de Young; H – dureza estática; KIc - tenacidade à fratura
FCC- cúbico de face centrada 
- não determinado
Figura 2. Variação da taxa de corte (CR) em função da profundidade de corte (p).
Al2O3
KIc
p (µm)
alumina
0
zircônia
250
2
0
1000750
4
12
10
500
6
8
15
0
0,0
vidro
25
p (mm)
20
ferrite
1,5
5
30
LiF
quartzo
2,0
10
0,5 1,0
Trigonal/cristal único
0,48 ± 0,052,5
Os valores médios de CR são mostrados na Tabela 2. Para aqueles 
materiais em que CR foi independente de p, CR corresponde à média de todos 
os pontos mostrados na Fig. 2. Para aqueles materiais em que CR diminuiu com 
p, o valor médio de A RC foi determinada após atingir a condição de estado 
estacionário. Para alumina e zircônia, o RC foi determinado para o intervalo 450 
< p < 900 µm enquanto para o quartzo o intervalo considerado foi 1,0 < p < 2,0 
mm. A Tabela 2 também mostra os valores médios de Ra e Rz medidos nas 
superfícies geradas pelo USM. A partir da Tabela 2, observa-se que as taxas de 
remoção de material e a rugosidade das superfícies USM são dependentes das 
características dos materiais. A Figura 3 ilustra micrografias SEM típicas de 
superfícies usinadas por ultra-som.
Químico
Alumina
comportamento está provavelmente relacionado com as propriedades mecânicas e 
a forma das partículas abrasivas.
10 - 12
E
Vidro de soda-cal SiO2+Na2O+CaO
78,3
Estrutura
1
LiF
ABCM
parte do processo de usinagem. Depois, manteve-se quase constante. No caso 
da ferrita, vidro e LiF, o CR pareceu ser independente de p durante todo o 
processo de usinagem. Com o aumento de p, a diminuição do CR geralmente é 
explicada pela insuficiência de reciclagem de partículas abrasivas na interface 
de usinagem. o
0,92 ± 0,03
Amorfo
8 - 105,8
Composição
Ferrite -
A tenacidade à fratura também deve ser considerada na análise das 
relações CR vs. p porque tanto a alumina quanto a zircônia são relativamente 
resistentes em comparação com os materiais estudados. Sabe-se que 
características microestruturais de agregados policristalinos (contornos de grão, 
segunda fase, precipitados) ou mecanismos de tenacidade (transformação de 
fase induzida por tensão, ponte de trincas) podem melhorar a resistência à 
fratura de materiais frágeis (Sakai e Bradt, 1993). Em condições de USM, o 
aumento da tenacidade à fratura devido a transformações martensíticas induzidas 
por estresse mecânico, como normalmente é observado em zircônias parcialmente 
estabilizadas (Heuer et al. 1986), é uma hipótese que merece maiores 
investigações.
(GPa) 
210 - 380
69
Zircônia
FCC/policristalino - / 
policristalino
1,52,43
a capacidade de reciclagem afeta as ações de martelamento e impacto das 
partículas abrasivas na folga de trabalho. Além disso, o problema com a 
turbulência da pasta provavelmente aumenta com p causando uma diminuição 
no CR.
(MPam1/2)
15,0 ± 1,0
Tetragonal/policristalino
~180
Quartzo
4,0
-
Embora menos eficaz, tem sido relatado que a alumina também pode apresentar 
alguns mecanismos de contenção da fratura por meio dos contornos de grão 
(Swanson et al. 1987). No caso do cristal de quartzo, há qualquer evidência de 
transformações microestruturais induzidas por tensões mecânicas que 
aumentariam a tenacidade à fratura.
H
ZrO2 140 - 210
FCC/cristal único
2,65 0,53 ± 0,01
Material
5,8 ± 0,5
Como a diminuição da RC com p não foi observada para todos os materiais 
investigados, é razoável sugerir que tal comportamento é muito mais influenciado 
pelas propriedades intrínsecas do material da peça do que por qualquer 
parâmetro operacional. Considerando as propriedades listadas na Tabela 1, 
percebe-se que a principal diferença entre os dois grupos de materiais está na 
sua dureza. Observa-se que a dureza da alumina, zircônia e quartzo são da 
mesma ordem de grandeza que os grãos de SiC. Acima de um certo valor para 
a dureza da peça, as partículas abrasivas perdem seu poder de corte antes de 
terminar um estágio do ciclo da pasta na folga de trabalho. Essa dureza crítica 
para o material da peça determina o CR vs. p
Densidade 
(g/cm3 )
54,6
SiO2
Cristalino
3 - 5
LiF
No entanto, deve-se ressaltar que a tensão uniaxial aplicada ao longo de direções 
adequadas pode induzir a geminação em níveis de tensão muito menores do 
que aqueles necessários para causar fratura (Guzzo e Boy, 2000).
58 / Vol. XXVI, nº 1, janeiro-março de 2004
(GPa) 
14 – 20
6,8
Machine Translated by Google
(e) ferrite
(d) vidro
(a) alumina
(c) quartzo {11 2 0}
(f) LiF {111}
(b) zircônia
Tabela 2. Valores médios dos parâmetros de taxa de corte (CR) e rugosidade superficial.
Um estudo comparativo sobre usinagem ultrassônica de materiais duros e quebradiços
Figura 3. Micrografias SEM de superfícies usinadas por ultra-som com grãos de SiC 
de 15 µm.
Figura 3. (Continuação).
10µm
10µm
10µm 10µm
10µm
10µm
10µm
10µm
Copyright © 2004 por ABCMJ. do Braz. Soc. de Mec. Sci. & Eng.
Copo de refrigerante de limão
Alumina
Quartzo
Material
LiF 
(-) desvio padrão
Zircônia
O acabamento superficial medíocre e a taxa de remoção de material de alto grau 
é porque o vidro soda-cal mostra simultaneamente os valores mais baixos de 
dureza e tenacidade à fratura. Embora LiF, vidro soda-cal e ferrita apresentem 
RC semelhante, a superfície usinada do primeiro indica que a remoção do 
material é controlada por microfissuras frágeis e delicadas. A superfície usinada 
do LiF é bastante plana, contendo trincas finas e cavidades relativamente rasas. 
As propriedades mecânicas do LiF listadas na Tabela 1 indicam que ele também 
é um material quebradiço.
Janeiro-Março de 2004, Vol. XXVI, nº 1/59
Ra (µm) 
1,5 (0,2) 
1,7 (0,4) 
1,5 (0,2) 
2,5 (0,4) 
1,9 (0,2) 
0,8 (0,2)
Rz (µm) 
10,9 (1,0) 
10,7 (1,9) 
9,6 (1,6) 
14,0 (1,8) 
11,6 (0,6) 
4,6 (1,2)
Ferrite
As micrografias SEM deixaram claro que a microfissuração frágil (Zum 
Gahr, 1987) é o mecanismo dominante de remoção de material relacionado à 
abrasão ultrassônica de materiais duros e quebradiços. Observa-se que os 
tamanhos dos eventos de fratura como microfissuras e microcavidades assim 
como os parâmetros de rugosidade Ra e Rz são maiores para o vidro soda-cal 
quando comparados com os demais materiais.
CR (µm/s) 
3,8 (0,4) 
2,3 (0,4) 
8,4 (1,2) 
26,5 (1,1) 
28,2 (0,8) 
26,5 (0,9)
Machine Translated by Google
V f
KH
P
ÿ
n
ABCM60 / Vol. XXVI, nº 1, janeiro-março de 2004
H
R = ÿ
E
0
60
15
800
30
20
10
25
40
5
20
2 1 2
1c
2
3
CR (µm/ s)
Figura 4. Relação entre a taxa de corte (CR) com as propriedades mecânicas 
dos materiais da peça.
PL Guzzo et al
Quando comparada à alumina e à zircônia, a superfície usinada da ferrita 
parece ser bastante plana e controlada por fraturas intergranulares. Também 
mostra porosidades relacionadas com o processo de formação. Além de 
microfissuras e microcavidades,as superfícies de alumina e zircônia 
apresentam quantidades residuais de material que não se desprenderam 
completamente da superfície durante o processo de usinagem. Essas 
observações contribuem para concluir que a tenacidade à fratura é o principal 
parâmetro que controla a microfissuração frágil em agregados policristalinos, 
pois a dureza da zircônia é menor que a da alumina e do quartzo.
É claro que a taxa de remoção de material não é satisfatoriamente 
expressa pela relação das propriedades mecânicas representadas pela Eq. 1. 
Se o progresso deve ser feito, portanto, na formulação de modelos para a 
remoção de materiais frágeis e duros, deve ser feito em termos de 
microestrutura do material, como tamanho de grão, resistência de grão, 
quantidade de segundas fases e sua resistência, e também em termos de das 
principais condições operacionais como carga e características abrasivas. 
Parte dessa discrepância pode ser devido a valores não corrigidos de 
propriedades mecânicas para alumina, zircônia e ferrita.
(1)
A densidade é outra propriedade que deve ser cuidadosamente considerada 
em outros modelos analíticos.
A análise da fratura por indentação em sólidos frágeis deixou claro que a 
extensão lateral da trinca pode fornecer uma base para estimar as taxas de 
remoção de material para várias situações práticas (Evans e Wilshaw, 1976). 
Estendendo esta análise para condições estacionárias de USM (Komaraiah e 
Reddy, 1993), o volume de material (V) que pode ser removido por unidade de 
tempo pode ser expresso como:
material. No entanto, sabe-se que LiF facilmente cliva ao longo de planos 
{100} (Schultz et al. 1994). Assim, a alta taxa de remoção de material em 
conexão com uma rugosidade de superfície relativamente pequena é explicada 
pela operação de clivagem juntamente com microfissuras frágeis durante a 
abrasão ultrassônica do LiF.
onde ÿ é uma constante dependendo da forma da partícula abrasiva e Fi é a 
força por partícula (N). Embora os mecanismos de remoção de material na 
lapidação ocorram por múltiplas indentações e arranhões (Chauban et al. 
1993), a Eq. (2) pode ser adotado para analisar as superfícies obtidas pelo 
USM porque em ambos os processos a microfissuração frágil deve ser 
controlada pela interação de aberturas de fenda laterais.
A relação entre Rz e o produto E1/2H-1 é representada na Fig. 5. A 
pequena rugosidade superficial de LiF não pode ser explicada pelo modelo 
representado pela Eq (2). Este fato confirma que a microfissuração frágil não 
é o mecanismo dominante de remoção de material que opera durante a 
usinagem ultrassônica do LiF. Embora os pontos experimentais tendam a 
seguir o modelo após a rejeição do LiF, o espalhamento ainda é grande. Além 
da incerteza relacionada às propriedades do material, a microfissuração frágil 
na lapidação ocorre por múltiplas indentações e arranhões (Chauban et al. 
1993) enquanto ocorre por martelamento e ação de impacto de grãos abrasivos 
durante a abrasão ultrassônica. Assim, embora a remoção de material ocorra 
pela interação de aberturas de fenda laterais, a rugosidade da superfície 
resultante dos processos de USM e lapidação não é semelhante. No caso do 
quartzo, observou-se que a lapidação dá superfícies lisas do que o USM 
quando são usados grãos abrasivos com o mesmo tamanho médio de grão 
(Guzzo e De Mello, 2000).
Cristal de quartzo e alumina policristalina, zircônia e ferrita apresentam 
valores semelhantes para Ra e Rz , mas apresentam algumas diferenças nas 
superfícies usinadas do ponto de vista qualitativo. No caso do quartzo, não há 
planos de clivagem nem diferença significativa em K1c entre planos de baixo 
índice (Schultz et al. 1994, Guzzo et al.
onde P é a carga estática [N], f é a frequência de usinagem ultrassônica [Hz] 
e n é o número efetivo de partículas abrasivas no espaço entre a ferramenta e 
a peça de trabalho. Da Eq. (1) observa-se que a taxa de remoção de material 
é inversamente proporcional ao produto K1c3/2H1/2. A Figura 4 mostra a 
relação entre CR e o produto K1c3/2H1/2 para os materiais aqui investigados.
2001). Mesmo assim, algumas direções preferenciais na abertura da fratura 
são observadas em suas superfícies usinadas. As taxas intermediárias de 
remoção de material provavelmente estão relacionadas com sua elevada 
dureza e baixa tenacidade à fratura. A ausência de planos de clivagem não 
contribui para melhorar a qualidade da superfície usinada em peças de quartzo.
Com base na profundidade das fraturas laterais induzidas por uma 
partícula de recuo, Buijs e Korpel van Houten (1993) sugeriram que a 
rugosidade das superfícies lapidadas do vidro está associada às propriedades 
mecânicas da peça de trabalho da seguinte forma:
(2)
K1c 3/2H1/2
2
1 2
1
z Fi
Machine Translated by Google
Referências
Conclusão
Agradecimentos
J. do Braz. Soc. de Mec. Sci. & Eng. Copyright © 2004 por ABCM
E1/2/H
Kainth, GS, Nandy, A. e Singh, K., 1979, “Sobre o mecanismo de remoção de 
material na usinagem ultrassônica”, Int. J. MTDR, Vol. 19, pp.33-41.
Buijs, M. e Korpel-van Houten, K., 1993, “Um modelo para lapidação de vidro”, 
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Rz (µm)
Figura 5. Relação entre a rugosidade média pico-vale (Rz) com as propriedades 
mecânicas dos materiais da peça.
Um estudo comparativo sobre usinagem ultrassônica de materiais duros e quebradiços
7,5
10,0
4,0 6,0
0,0
0,0 8,0 10,0
5,0
2,0
12,5
15,0
2,5 LiF
Observou-se que a microfissuração frágil foi o mecanismo dominante 
de remoção de material, exceto para LiF monocristal. Neste caso, a clivagem 
frágil é o principal mecanismo que contribui para melhorar a qualidade da 
superfície. Os modelos utilizados para explicar a taxa de remoção de 
material e a rugosidade da superfície em relação às propriedades do material 
não concordaram satisfatoriamente com os dados experimentais.
Janeiro-Março de 2004, Vol. XXVI, nº 1/61
Experimentos preliminares de USM realizados em diferentes materiais 
frágeis e duros revelaram a influência das propriedades estruturais e 
mecânicas dos materiais da peça na taxa de remoção de material e na 
topografia das superfícies usinadas. A taxa de remoção de material diminuiu 
abruptamente com a profundidade de usinagem para materiais de peças em 
que a dureza é da mesma ordem de grandeza que a dureza dos grãos 
abrasivos. Nessas circunstâncias, acredita-se que os grãos abrasivos 
perderam seu poder de corte mais rapidamente do que o período de 
reciclagem.
Assim, novas tentativas são necessárias para estabelecer modelos 
alternativos de usinabilidade de materiais frágeis e duros sob condições de 
abrasão ultrassônica.
Os autores agradecem ao Dr. Carlos S. Muranaka da Escola Politécnica 
da Universidade de São Paulo por fornecer amostras de ferrita. As medições 
de dureza em LiF foram realizadas por Rafael L. Carvalho. Este trabalho foi 
apoiado pelo Instituto Fábrica do Milênio do CNPq. Um dos autores (PLG) é 
pesquisador do Programa Profix do CNPq.
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