Estudo da usinagem de canais em quartzo alfa utilizando equipamento com spindle reclinável e disco abrasivo

dc.contributor.advisor1Araujo, Luis Antonio Oliveira
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3639906702064630
dc.contributor.authorParreira, Shalom Reges
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/4388212640539083
dc.contributor.refereeAraujo, Luis Antonio Oliveira
dc.contributor.refereePaziani, Fabricio Tadeu
dc.contributor.refereeLovo, João Fiore Parreira
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/3639906702064630
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/2204448761802712
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/1949993771432064
dc.date.accessioned2025-10-28T14:42:47Z
dc.date.issued2025-07-29
dc.description.abstractThe machining of hard and brittle materials, such as ceramics and crystalline materials like quartz, is widely used in the construction of piezoelectric sensors and microelectromechanical systems (MEMS). The need to machine these materials efficiently and economically has become critical as the demand for affordable piezoelectric devices has increased, intensifying research in the area. Therefore, this work evaluated the performance of an experimental equipment, called C3L, with a tilting spindle for machining channels with an abrasive disk in polycrystalline alumina with 99.8% purity and monocrystalline α-quartz (AT plane) with the objective of verifying the ability of the C3L equipment to achieve results comparable to the commercial machine DISCO HI TECH DAD 3350. The C3L machine has a table with movement in Cartesian coordinates X, Y and Z and a bearing-mounted tilting spindle, capable of operating between horizontal and vertical positions. For this work, the project and construction of a flange for fixing the abrasive disk were developed. The equipment used as a reference for machining validation was a DISCO DAD3350 cutting machine, operating with an aerostatic spindle. The methodology for verifying failures consisted of dimensional analysis of chipping by optical microscopy, following a protocol already established in the literature that presents the average dimension of the chips caused by abrasive cutting as machining quality. The first material machined was a block of polycrystalline alumina (Al2O3), with 99.8% purity, measuring 34 × 34 × 8.5 mm. The part was ground to eliminate imperfections and the tests were carried out using an abrasive cutting disk model THERMOCARBON 2.25M-10C-54R7-3, which has an external diameter of 57.15 mm, thickness of 0.254 ± 0.010 mm, grain size of approximately 54 µm, and cooling was performed with water, applied manually. For alumina, with the same parameters applied in the commercial machine, the C3L showed average chipping of 15.69 µm against 20.50 µm of the DAD3350, representing an improvement of 23.5% in surface quality. However, angular misalignment was found between the spindle and the table, around Z, resulting in channel width 1.5 to 2.3 times the nominal thickness of the disk (254 µm). After aligning the table with a dial indicator, tests were carried out with quartz, which evaluated rotations (5,000; 10,000 and 15,000 rpm), feeds (0.1; 1 and 5 mm/s) and depths (0.1 and 0.3 mm); the smallest average flaw size (6.45 µm) occurred with a feed of 0.1 mm/s, depth of 0.3 mm and 10,000 rpm, while the largest average flaw size was identified in the cut with a feed of 5 mm/s, depth of 0.1 mm and 10,000 rpm, resulting in an average flaw size of 20.89 µm. Analysis of the tool after cutting revealed an asymmetric wear pattern on the disk, evidencing the misalignment, around Y, in the positioning of the spindle. It is concluded that, despite the need to correct the misalignment and implement automated cooling to optimize the process, the results demonstrate the technical feasibility of the C3L machine for machining α-quartz, with performance comparable to commercial equipment.eng
dc.description.resumoA usinagem de materiais duros e frágeis, como cerâmicas e materiais cristalinos, como o quartzo, tem larga aplicação na construção de sensores piezoelétricos e sistemas microeletromecânicos (MEMS). A necessidade de usinar esses materiais de forma eficiente e econômica tornou-se crí-tica à medida que a demanda por dispositivos piezoelétricos acessíveis aumentou, intensificando pesquisas na área. Por isso, este trabalho avaliou o desempenho de um equipamento experimental, intitulado C3L, na usinagem de canais utilizando disco abrasivo em alumina policristalina com 99,8% de pureza e quartzo-α monocristalino (plano AT) com o objetivo de verificar a capacidade do equipamento C3L em alcançar resultados comparáveis à máquina comercial DISCO HI TECH DAD 3350. A máquina C3L possui mesa com movimentação em coordenadas cartesianas X, Y e Z e um spindle rolamentado reclinável, capaz de operar entre as posições horizontal e vertical. Para este trabalho foi desenvolvido o projeto e a construção de um flange para fixação do disco abrasivo. O equipamento utilizado como referência para validação da usinagem foi uma máquina de corte DISCO DAD3350, operando com spindle aerostático. A metodologia para verificar as falhas consistiu na análise dimensional dos lascamentos por microscopia óptica, seguindo protocolo já estabelecido na literatura que apresenta como qualidade de usinagem a dimensão média das lascas ocasionadas pelo corte abrasivo. O primeiro material usinado, foi um bloco de alumina policristalina (Al2O3), com 99,8% de pureza, nas dimensões de 34 × 34 × 8,5 mm. A peça foi retificada para eliminar imperfeições e os ensaios foram realizados utilizando disco de corte abrasivo modelo THERMOCARBON 2.25M-10C-54R7-3, que possui diâmetro externo de 57,15 mm, espessura de 0,254 ± 0,010 mm, tamanho de grãos de aproximadamente 54 µm e a refrigeração foi realizada com água, aplicada manualmente. Na alumina, com os mesmos parâmetros da máquina comercial, a C3L apresentou lascamentos médios de 15,69 µm contra 20,50 µm da DAD3350, representando melhoria 23,5% na qualidade superficial. Entretanto, verificou-se desalinhamento angular entre o spindle e a mesa, em torno de Z, resultando em largura de canal 1,5 a 2,3 vezes a espessura nominal do disco (254 µm). Após alinhar a mesa com relógio apalpador, realizaram-se os ensaios com quartzo, que avaliaram rotações (5.000; 10.000 e 15.000 rpm), avanços (0,1; 1 e 5 mm/s) e profundidades (0,1 e 0,3 mm). A menor média no tamanho das falhas (6,45 µm) ocorreu com avanço de 0,1 mm/s, profundidade de 0,3 mm e 10.000 rpm, enquanto o maior tamanho médio das falhas foi identificado no corte com avanço de 5 mm/s, profundidade de 0,1 mm e 10.000 rpm, resultando em 20,89 µm. A análise da ferramenta após o corte revelou padrão assimétrico de desgaste no disco, evidenciando o desalinhamento, em torno de Y, no posicionamento do spindle. Conclui-se que, apesar da necessidade de corrigir o desalinhamento e implementar refrigeração automatizada para otimizar o processo, os resultados demonstram a viabilidade técnica da máquina C3L para usinagem de quartzo-α, com desempenho comparável a equipamentos comerciais.por
dc.description.sponsorshipNão recebi financiamento
dc.identifier.citationPARREIRA, Shalom Reges. Estudo da usinagem de canais em quartzo alfa utilizando equipamento com spindle reclinável e disco abrasivo. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22964.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/22964
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - PPGEMec
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectQuartzo-αpor
dc.subjectAlumina policristalinapor
dc.subjectCorte abrasivopor
dc.subjectMáquina de cortepor
dc.subjectα-quartzeng
dc.subjectPolycrystalline aluminaeng
dc.subjectAbrasive cuttingeng
dc.subjectCutting machineeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO::MAQUINAS DE USINAGEM E CONFORMACAO
dc.titleEstudo da usinagem de canais em quartzo alfa utilizando equipamento com spindle reclinável e disco abrasivopor
dc.title.alternativeStudy of channel machining in alpha quartz using equipment with a tiltable spindle and abrasive disceng
dc.typeDissertação

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