Projeto de um Sistema para Medição de Forças Ultrapequenas

O projeto e construção de sistemas de medição de forças para a usinagem de ultraprecisão implica na análise e solução de problemas não triviais. A dificuldade para a execução desta tarefa encontra-se principalmente no fato de que se por um lado é necessária uma grande sensibilidade no sistema para perceber níveis de força muito pequenos, o que significa ter um sistema de rigidez não muito elevada, por outro lado uma rigidez insuficiente do sistema de medição pode levar à ocorrência de vibrações e alterações de posição da ferramenta que, por sua vez, podem resultar em erros nos resultados. Ao mesmo tempo em que se deseja uma elevada sensibilidade em um sistema de medição de força, deseja-se portanto também uma rigidez suficiente, o que leva à necessidade de se estabelecer um compromisso entre estas duas características opostas [149, 166]. No caso da usinagem de ultraprecisão de materiais duros e frágeis, como é o caso de cristais transmissivos no espectro infravermelho, a medição de forças de usinagem é ainda mais crítica, visto que a maioria destes materiais, além de apresentarem forças de corte e passivas em níveis inferiores às que surgem na usinagem de ultraprecisão de materiais metálicos, apresentam um comportamento frágil durante o processo de remoção dos cavacos, de forma que a dinâmica do sinal de força gerada é mais alta que no caso de materiais de comportamento dúctil e os problemas relacionados a ruídos de sinal, maiores [167].

Diversos trabalhos no campo do projeto de sistemas para a medição de forças na usinagem de ultraprecisão foram realizados nos últimos anos no IPT-Aachen. Já em 1985 foi desenvolvido por Winzer [168] um sistema de posicionamento baseado no princípio piezelétrico, cujos conceitos básicos foram utilizados mais tarde por Pyra [110] para construir uma plataforma com sensores piezelétricos para a medição de forças na usinagem de ultraprecisão de materiais metálicos. Quando se substitui um suporte de ferramenta por um sistema de medição de forças, deve-se evitar que ocorram grandes variações no comportamento estático e dinâmico geral do sistema. Neste sentido os sensores piezelétricos mostram-se bastante adequados, visto terem alta sensibilidade e

freqüência natural também relativamente alta. Além disto, sistemas de medição que utilizam sensores piezelétricos caracterizam-se por grande linearidade e ausência de histerese, são de manuseio relativamente simples e têm grande durabilidade [113, 166, 169]. Com este sistema foram realizados os primeiros ensaios de força em cobre OFHC, sendo possível a verificação da influência dos parâmetros de usinagem sobre o comportamento estático e dinâmico das componentes de força. Este sistema, que tinha uma freqüência natural de aproximadamente 5,4 kHz na direção da força passiva, permitiu a medição de forças até um limite mínimo em torno de 100 mN.

Melhoramentos realizados na plataforma piezelétrica desenvolvida por Pyra [110] foram executados por Spenrath [1], através do emprego de um mini-sensor piezelétrico para três componentes de força (Fc, Ff e Fp). Embora com este sistema fosse possível a medição das forças que ocorrem na microusinagem de cobre OFHC para as profundidades de corte e avanço usuais na fabricação de elementos ópticos metálicos, o mesmo não permitiu a verificação das componentes de força que ocorrem na fabricação de ultraprecisão de germânio, visto ser a sensibilidade dos sensores empregados (em tomo de 3 pC/N) insuficiente para esta tarefa.

Com base nas experiências de Winzer [168], Pyra [110] e Spenrath [1], foi projetado um novo sistema de medição de forças que permitisse a medição simultânea das três componentes da força de usinagem (Fc, Ff e Fp) durante o processo de usinagem de ultraprecisão de materiais duros e frágeis. Para isto foram empregados sensores piezelétricos de alta sensibilidade (aproximadamente 110 pC/N), do tipo 9205, do fabricante Kistler (vide características no item 9.1). Com os mesmos é teoricamente possível perceber alterações de força na ordem de 0,5 mN, embora a montagem de diversos sensores em uma plataforma faça com que esta sensibilidade seja de uma ordem de grandeza menor, pelos detalhes construtivos da plataforma. Deve-se observar que os sensores empregados apresentam uma freqüência natural em níveis bastante inferiores aos sensores habitualmente empregados para a medição de forças de usinagem, entretanto as vantagens apresentadas compensam esta característica negativa. Estes sensores, em virtude de suas características construtivas, têm uma rigidez relativamente pequena (freqüência natural em torno de 10 kHz), o que torna necessária a adoção de medidas construtivas na plataforma de medição no sentido de proteger a integridade dos

sensores. Desta forma, entretanto, podem ocorrer perdas na sensibilidade do sistema como um todo.

Para o projeto de uma nova plataforma piezelétrica adequada à verificação do comportamento das forças durante a microusinagem de cristais infravermelhos, partem-se entre outras das seguintes condições iniciais:

□ O sistema de medição deve ser compatível com os sistemas de fixação da ferramenta na máquina de ultraprecisão Rank Pneumo Precision MSG 325;

□ Deve ser possível o emprego de ferramentas de diamante já disponíveis;

□ A rigidez do sistema deve ser suficiente para que não sejam introduzidos erros nos resultados de medição ou causados danos aos sensores piezelétricos empregados; □ A plafaforma piezelétrica deve permitir o emprego de fluido de corte.

Devido à geometria em forma de apalpadores dos sensores disponíveis, foi necessário o desenvolvimento de um novo conceito de plataforma de medição, com a disposição dos sensores em um sistema cartesiano XYZ, para que cada um deles pudesse medir a componente de força em uma direção. Para as direções X e Y (Ff e Fc, respectivamente) foi adotada a solução de mecanismo de alavanca, onde a ferramenta tem dois graus de liberdade e sensibiliza independemente os sensores para Ff e Fc. Para a direção Z foi adotada a solução de molas paralelas, que permite a movimentação precisa da ferramenta apenas na direção de Fp (figura 4.1).

Enquanto na direção Z é possível calcular teoricamente a rigidez do sistema de medição, em função das suas características construtivas (no caso de molas paralelas com 1,5 mm de espessura este valor é de aproximadamente 17 N/pm), nas direções X e Y a rigidez depende de diversas variáveis e pode ser verificada apenas experimentalmente. Em virtude dos sérios problemas apresentados neste sentido pelo sistema de medição já na fase inicial de testes, o projeto foi alterado no sentido de permitir a movimentação da ferramenta em apenas uma plano, e não mais espacialmente. Conseqüentemente, tomou- se possível a medição simultânea de apenas duas componentes de força (Fc e Fp ou Ff e Fp, conforme o posicionamento da plataforma e da ferramenta em relação à màquina- ferramenta). Como normalmente na análise de forças na usinagem de ultraprecisão a

componente Ff é desprezada, visto ser a mesma muito menor que Fc e Fp e, conseqüentemente, ter uma influência sobre os resultados de trabalho correspondentemente menor, a solução adotada não traz prejuízos maiores à análise do processo com relação às suas forças. Apenas com esta solução, também, torna-se viável o emprego desta plataforma piezelétrica para a medição das forças na usinagem de ultraprecisão de cristais infravermelhos.

A

14 13 12 17 16 11 15 18

Figura 4.1 - Plataforma para medição de forças na usinagem de ultraprecisão