MINISTRIO DA EDUCAO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

ESTUDO DE UM SISTEMA DE MEDIO A LASER NA ANLISE DA

TEXTURA DA SUPERFCIE GERADA POR TORNEAMENTO

por

Marcelo Mennet Marchiori

Dissertao para obteno do Ttulo de

Mestre em Engenharia

Porto Alegre, maio de 2013

ESTUDO DE UM SISTEMA DE MEDIO A LASER NA ANLISE DA TEXTURA DA

SUPERFCIE GERADA POR TORNEAMENTO

por

Marcelo Mennet Marchiori

Licenciado em Fsica

Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica,

da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,

como parte dos requisitos necessrios para a obteno do Ttulo de

Mestre em Engenharia

rea de Concentrao: Fabricao

Orientador: Prof. Dr. Andr Joo de Souza

Comisso de Avaliao:

Prof. Dr. Arnaldo Ruben Gonzalez DEMEC/UFRGS

Prof. Dr. Fabiano Bernardi IF/UFRGS

Prof. Dr. Ricardo Rego Bordalo Correia IF/UFRGS

Prof. Dr. Luiz Alberto Oliveira Rocha

Coordenador Substituto do PROMEC

Porto Alegre, 28 de maio de 2013.

ii

God made solids, but surfaces were the work of the devil. Wolfgang Pauli

iii

AGRADECIMENTOS

Ariadne Lamana, a mulher mais maravilhosa do mundo, minha esposa, da qual se

deve mandar erigir uma esttua muito maior que o Cristo Redentor.

Ao meu orientador, Prof. Dr. Andr Joo de Souza, sinceros e fraternos

agradecimentos e pedidos de desculpas mil.

Ao pessoal do Laboratrio de Usinagem (UFRGS), aos professores e pessoal do

Laboratrio Laser (UFRGS).

Aos professores Dr. Mikiya Muramatsu (USP) e Dr. Armando Albertazzi Gonalves

Jr. (UFSC), que me responderam mui prontamente quando lhes enviei minhas dvidas.

Aos amigos Guilherme Cortelini, Guilherme Vargas, Jlio Shoffen, Flavio Horowitz,

Ricardo Franke, Paulo Emmanuel, Roberto Ribeiro, Rafael Crespo e a todos os outros que

eventualmente tenham sido esquecidos neste documento e que torceram por mim, sintam-se

lembrados de corao.

Ao papai, que me proporcionou poder estudar; mame, que sempre deu apoio; aos

irmos, pois, tenho certeza, torceram muito por isso.

E finalmente, mas no menos importante, ao CNPq, pelo apoio financeiro sob a forma

de bolsa.

iv

RESUMO

A determinao da rugosidade parte fundamental para a classificao da qualidade

de uma superfcie. Assim, iniciou-se este trabalho realizando-se estudos a respeito de seus

mtodos de medio. Devido grande adaptabilidade e velocidade dos mtodos a laser, os

estudos foram direcionados para estes tipos de tcnicas de medio. Verificou-se que esses

dispositivos vinculavam-se a sistemas em que o laser refletido era analisado atravs de

sistemas com detectores do tipo CCD, em que a imagem refletida era analisada num todo.

Assim, a bibliografia trouxe inspirao para mensurar a rugosidade de uma superfcie gerada

por torneamento horizontal, a partir da intensidade laser refletida. Props-se, ento, um

mtodo baseado exclusivamente, na intensidade do sinal que era refletido pela superfcie em

estudo, a contar de uma incidncia normal, j que aos autores ressaltavam que quanto maior a

rugosidade da superfcie menor seria o sinal refletido por ela. O sistema foi montado e sua

capacidade de diferenciar distintas rugosidades foi testada. Ento foram produzidas amostras

com diferentes rugosidades, a fim de se obter uma funo que pudesse correlacionar o sinal

laser com a respectiva rugosidade (medida esta feita em rugosmetro de agulha). A funo de

transferncia encontrada foi testada em amostras dissemelhantes das que a geraram, com o

intuito de comprovar sua eficcia. Amostras fabricadas com ferramentas distintas de corte

tambm foram produzidas e submetidas ao mesmo procedimento. As funes de transferncia

geradas alcanaram sucesso na previso da rugosidade em, no mximo, 16,6% dos pontos,

considerando uma margem de erro de 20%. A seguir, procurando-se os motivos que pudessem

ter causado este percentual, levantou-se a possibilidade de estarem ocorrendo efeitos pticos

capazes de causar interferncias devido s irregularidades na superfcie. Efeitos capazes de

degenerarem o sinal refletido. A comprovao de que o sinal eventualmente poderia estar

sendo perturbado aconteceu atravs de referncia bibliogrfica e de imagens obtidas por

microscopia eletrnica de varredura, em que se pde observar a existncia de estruturas na

face das amostras que seriam isolada ou conjuntamente capazes de causar os efeitos citados.

Palavras-chave: rugosidade mdia, sistema de medio laser, sinal refletido, interferncia.

v

ABSTRACT

The determination of the roughness is a key for a good classification of a surface.

Thereby, the work was started with a study about the roughness measurements methods. Due

to the great adaptability and speed of laser methods, the studies were directed to these kinds of

measurement techniques. It was observed in the literature that these laser devices were linked

to systems where the reflected laser was analyzed by systems with CCD detectors, where the

reflected image was entirely analyzed. Hence, the bibliography brought inspiration to measure

the surface roughness generated by axial turning from the intensity of the reflected laser. It

was proposed then a measurement method exclusively based on the intensity of the signal that

was reflected by the surface under study, because the authors noted that as the roughness of

surface became bigger as the signal reflected is became smaller. The proposed system has

been assembled and ability to distinguish different roughness was tested successfully. Then

samples were produced with different roughness in order to obtain a function that would

correlate the laser signal with its roughness (this measurement is made by tactile measurement

instrument). The transfer function obtained was tested on different samples that generated in

order to prove its efficacy. Samples produced with different cutting tools were also produced

and subjected to the same procedure. The transfer functions reached a successful prediction of

the roughness maximum for 16.6% of the points assuming a margin of error of 20%. So,

looking up the reasons that could have caused this percentage we think the possibility as the

occurrence of some optical effects that can cause interference due to irregularities on the

surface. These optical effects can degenerate the reflected signal. The proof that the signal

could possibly be corrupted was made by the bibliographic references and some images

obtained by scanning electron microscopy in which they could observe the existence of

structures on the sample surfaces that would can be a reason for these effects individually or

together.

Keywords: roughness average, laser measuring system, reflected signal, interference.

vi

NDICE

1 INTRODUO .................................................................................................................... 1

1.1 Objetivos ......................................................................................................................... 7

1.1.1 Geral .................................................................................................................... 7

1.1.2 Especficos .......................................................................................................... 7

1.2 Justificativa ..................................................................................................................... 7

1.3 Organizao da Dissertao ............................................................................................ 7

2 RUGOSIDADE .................................................................................................................... 9

2.1 Caracterizao da Superfcie ........................................................................................ 10

2.2 Parmetros de Rugosidade ............................................................................................ 11

2.3 Medio de Rugosidade ................................................................................................ 13

2.4 Avaliao da Rugosidade por Mtodos de Medio a Laser ........................................ 15

2.4.1 Espalhamento ptico ........................................................................................ 21

3 PROPOSTA DE MTODO DE MEDIO DE RUGOSIDADE ................................ 23

4 MATERIAIS E MTODOS ............................................................................................. 26

4.1 Preparao do Laser e do Chopper ............................................................................... 27

4.2 Amplificador Lock-in ................................................................................................... 28

4.3 Posicionamento da Amostra ......................................................................................... 30

4.4 Verificao do Alinhamento ......................................................................................... 31

4.5 Aquisio de Dados ...................................................................................................... 32

4.6 Softwares para Anlise de Dados ................................................................................. 32

4.7 Procedimentos Preliminares ......................................................................................... 33

4.8 Caracterizao dos Corpos de Prova ............................................................................ 34

5 EXPERIMENTAES ..................................................................................................... 37

5.1 Testes Iniciais ............................................................................................................... 37

5.2 Testes com Ao SAE 1020 e SAE 4140 ....................................................................... 41

5.3 Testes com Ao SAE 4140 e Ferramenta Alisadora..................................................... 47

5.4 Testes com Ao SAE 4140 e Ferramenta Convencional .............................................. 50

5.5 Validao dos Resultados das Funes FT1 e FT2 ........................................................ 53

5.5.1 Validao de FT1............................................................................................... 53

5.5.2 Validao de FT2............................................................................................... 54

6 Discusso dos Resultados .................................................................................................. 56

7 Concluses .......................................................................................................................... 63

7.1 Sugestes para Trabalhos Futuros ................................................................................ 64

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................. 65

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1: Esquema dos movimentos relativos entre a pea e a ferramenta [Sandvik, 2009] .. 2

Figura 1.2: Esquema do perfil terico de corte e da ferramenta responsvel pela gerao da

rugosidade [adaptado de Machado et al., 2009] .................................................... 2

Figura 1.3: Esquema do perfil de corte pela ferramenta: (a) alisadora; (b) convencional

[Grzesik e Zalisz, 2008] ......................................................................................... 2

Figura 1.4: Ordens de desvio da superfcie [adaptado de Lu, 2008] .......................................... 3

Figura 2.1: Croqui de superfcies: (a) geomtrica; (b) real [ABNT/NBR ISO 4287:2002] ..... 10

Figura 2.2: Diagrama dos elementos que influenciam no perfil da superfcie. [Rosa, 2004] .. 10

Figura 2.3: Distncias de pico e de vale e representao da linha mdia para um dado

comprimento de avaliao [NBR ISO 4287:2002] .............................................. 11

Figura 2.4: Faixa de valores de rugosidade mdia para diferentes processos de fabricao por

usinagem [Souza, 2011]. ...................................................................................... 14

Figura 2.5: Esquema da montagem de Osanna et al., 1988: as bobinas movimentam os ms

para manter o laser focalizado na superfcie ........................................................ 16

Figura 2.6: Intensidade relativa (%) vs. ngulo de reflexo () [adaptado de Yim e Kim, 1990]

............................................................................................................................. 17

Figura 2.7: Padro de imagem conforme direo das ranhuras [adaptado de Kim et al., 2002].

............................................................................................................................. 19

Figura 2.8: Esquema da montagem do aparato [adaptado de Wang et al., 2003] .................... 19

Figura 2.9: Princpio de medio da luz espalhada [adaptado de Thurn e Brodmann, 1986]. . 21

Figura 2.10: (a) princpio do mtodo de espalhamento de luz; (b) micrografia de superfcie

usinada em torno cilndrico e superfcie laminada a frio; (c) padro de

espalhamento para superfcie laminada a frio [adaptado de Thurn e Brodmann,

1986]. ................................................................................................................... 22

Figura 2.11: Esquema da influncia do perfil da amostra na distribuio de espalhamento para

duas superfcies (a e b) com rugosidades semelhantes [adaptado de Thurn e Brodmann, 1986]. ................................................................................................ 22

Figura 3.1: Montagem esquemtica do sistema de medio proposto ..................................... 23

Figura 4.1: Sistema de medio laser desenvolvido ................................................................. 26

Figura 4.2: Foto do laser ........................................................................................................... 27

Figura 4.3: Painel de configuraes do lock-in. ....................................................................... 28

Figura 4.4: Esquema terico de funcionamento de um lock-in [adaptado de Wolfson, 1991]. 28

Figura 4.5: Fotos do posicionador de amostras: (a) porta amostra em sua totalidade; (b)

detalhe da mesa de apoio e do batente de posicionamento; (c) sistema de translao vertical; (d) o sistema de translao horizontal .................................. 30

viii

Figura 4.6: (a) vista superior de um nvel bolha; (b) esquadro combinado completo. ............. 31

Figura 4.7: Fotografia dos monitores analgicos e digitais do lock-in. .................................... 32

Figura 4.8: Rugosmetro Mitutoyo Surftest SJ-201: (a) padro de calibrao/aferio, a regio

marcada com P polida; a regio marcada com R rugosa; (b) equipamento de medio ........................................................................................................... 33

Figura 4.9: Corpos de prova iniciais. (a) usinagem igual em todo seu comprimento (uma

amostra); (b) quatro amostras diferentes (quatro combinaes de parmetros de

corte). Dimenses em milmetros. ....................................................................... 34

Figura 4.10: CP4140 produzido com 13 amostras, feito em SAE4140. Valores em (mm). .... 36

Figura 5.1: Amostras para medio de refletividade total para os aos: (a) SAE 1020; (b) SAE

1045; (c) SAE 4140 ............................................................................................. 39

Figura 5.2: Espectrofotmetro CARY5000 .............................................................................. 39

Figura 5.3: Teste comparativo de refletividade entre SAE4140, SAE1020 e SAE1045: (a)

espectro total de 500 at 700 nm; (b) detalhe no comprimento de onda usado

(633 nm). .............................................................................................................. 40

Figura 5.4: Distribuio dos pontos no grfico da Rugosidade vs. Sinal laser espalhado........ 41

Figura 5.5: Rugosidade efetiva vs. Sinal laser (as barras de erros representam o desvio padro

de cada um dos pontos) ........................................................................................ 43

Figura 5.6: Funes de transferncia com diferentes coeficientes de correlao. .................... 44

Figura 5.7: Rugosidade Ra vs Sinal Laser dos corpos de prova 1, 5, 8, 23, 24. ....................... 45

Figura 5.8: Grfico (corrigido) de Ra (m) vs. Sinal laser (V) .............................................. 46

Figura 5.9: Primeiro grfico do melhor ajuste de Rugosidade vs Sinal laser ........................... 46

Figura 5.10: Grfico que expressa a FT, juntamente com os pontos experimentais ................ 47

Figura 5.11: Grfico de FT1 e pontos experimentais de Ra vs. Sinal laser, CP4140 ................ 49

Figura 5.12: Grfico de rugosidade Ra vs. sinal laser SL das amostras CP 4140 (0,07-0,18)

com trs pontos com desvio padro menor que a marca do ponto ...................... 51

Figura 5.13: Curva de melhor ajuste referente aos pontos da amostra CP4140 (0,07-0,18) com

dados experimentais ............................................................................................. 51

Figura 5.14: Pontos de rugosidade corrigido vs. sinal laser, do CP4140 (0,07-0,18) com trs

pontos com desvio padro menor que a marca do ponto ..................................... 52

Figura 5.15: Curva FT2 e pontos da amostra CP4140 (0,07-0,18) com dados da Tabela 5.7 .. 53

Figura 6.1: Diferena de caminho ptico [Persson, 1996] ....................................................... 57

Figura 6.2: Microscpio Eletrnico de Varredura JEOL/EO modelo Jib-450 ......................... 59

Figura 6.3: Imagem feita em MEV da superfcie da amostra CP8D: (a) estrias com

espaamento igual ao avano, (b) estriamento muito menor que o avano ......... 59

Figura 6.4: Imagem feita em MEV da superfcie da amostra CP5B com sequncia de

magnificao: (a) 25x; (b) 50x; (c) 100x; (d) 500x; (e) 2000x ............................ 60

ix

Figura 6.5: Imagem MEV da superfcie da amostra CP8A com microtrincas com sequncia de

magnificao: (a) 500x; (b) 2000x; (c) 4500x ..................................................... 60

Figura 6.6: Imagem MEV da superfcie da amostra CP1B com detalhe para as estruturas

esferoidais: (a) 25x; (b) 50x; (c) 100x; (d) 500 x; (e) 2000x; (f) 4500x .............. 61

Figura 6.7: No detalhe do desgaste em ferramenta de corte, distantes um do outro

aproximadamente 10 m [Grzesik e Zalisz, 2008]. ............................................. 62

x

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Tabela de comprimento da amostragem (cut-off) .................................................. 14

Tabela 5.1: Dados da potncia emitida pelo laser utilizado nas medies. .............................. 37

Tabela 5.2: Composio aproximada dos corpos de prova (em %) ......................................... 38

Tabela 5.3: Resumo dos dados de Rugosidade (Ra) medida com SJ-201 e sinal laser espalhado

............................................................................................................................. 40

Tabela 5.4: Dados combinados para os cinco corpos de prova ................................................ 42

Tabela 5.5: Erro relativo na estimao da rugosidade Ra com FT1 para os Testes Iniciais ...... 48

Tabela 5.6: Valores efetivos do sinal laser e dos valores de rugosidade calculados e medidos.

............................................................................................................................. 49

Tabela 5.7: Dados experimentais CP4140 (0,07-0,18) ............................................................. 50

Tabela 5.8: Uso das FT1 para previso de rugosidades de CP4140(0,07-0,18) ....................... 54

Tabela 5.9: Uso das FT2 para previso de rugosidades de CP1, CP5, CP8,CP23, CP24 ......... 54

Tabela 5.10: Uso das FT2 para previso de rugosidades de CP4140(0,07-0,18) ..................... 55

xi

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

AFM: Microscpio de Fora Atmica (Atomic Force Microscope)

ASC: Correlao Angular de Speckle (Angular Speckle Correlation)

CCD: Dispositivo de Acoplamento de Carga (Charge Coupled Device)

CD: Disco Compacto (Compact Disk)

ELA: Efeito de Localizao de Anderson

FT: Funo de Transferncia

LAMEF: Laboratrio de Metalurgia Fsica

Laser: Amplificao de Luz por Emisso Estimulada de Radiao (Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation)

LSA: Anlise de Escaneamento a Laser (Laser Scanning Analysis)

PSD: Deteco Sensvel Fase (Phase Sensitive Detection)

RMS: Raiz quadrtica mdia (Root Mean Square)

rpm: Rotaes por minuto

SAE: Sociedade dos Engenheiros da Mobilidade (Society of Automotive Engineers)

SM: Sistema de medio

STM: Microscpio de tunelamento (Scanning Tunneling Microscope)

xii

LISTA DE SMBOLOS

m ngulo onde ocorre o mximo de interferncia da grade [rad]

i ngulo de incidncia da luz na grade [rad]

m Ordem de difrao da grade [adimensional]

d Espaamento existente entre as fendas (ou padres) da grade [m]

Comprimento de onda da luz incidente [m]

ap Profundidade de corte [mm]

f Avano da ferramenta de corte [mm/volta]

r1, r2 Raios de ponta wiper [mm]

r Raio de ponta da ferramenta de corte [mm]

rbo Raio de alisamento (para ferramenta wiper) [mm]

Ra Rugosidade de desvio aritmtico mdio [m]

Rq Rugosidade de desvio mdio quadrtico [m]

Rt Rugosidade de altura total do perfil [m]

Rz Rugosidade de altura mxima do perfil [m]

SL Sinal Laser intensidade laser refletida [V]

1

1 INTRODUO

Diferentes autores afirmam que a gerao da rugosidade de uma superfcie

dependente de vrios fatores. Sendo assim, quando se trata de gerar a superfcie por processo

de usinagem de torneamento, os parmetros, em geral, mais considerados so velocidade de

corte1, avano

2, profundidade de corte

3, geometria da ferramenta e dureza da pea [Attanasio

et al., 2010; Lu, 2008; Ozel, 2005; Prazad et al., 2009; Saini, 2012; Suhail et al., 2010].

Entretanto, existem formas de prever, com boa aproximao, as rugosidades geradas por

torneamento, utilizando esses parmetros [Diniz et al., 2003; Machado et al., 2008;

Kalpakjian e Schind, 2010; Klocke, 2011].

De maneira geral, os processos de usinagem podem ser divididos em dois grandes

grupos: convencionais e no convencionais. Os processos convencionais so, de maneira

geral, considerados aqueles que realizam o corte propriamente dito, principalmente por

cisalhamento de uma poro do material da pea, ocasionado pelas grandes foras infringidas

contra ela pela ferramenta cortante. Todavia os processos no convencionais utilizam outras

tcnicas para dar forma pea, tradicionalmente fornecendo energia de maneira muito

concentrada ao corpo que est sendo usinado, mas com taxa de remoo de material muito

inferior, como, por exemplo, corte laser, eletroeroso, corte plasma [Souza, 2011].

Os processos de torneamento so definidos como sendo processos mecnicos de

usinagem, destinados a gerar superfcies de revoluo com auxlio de uma ou mais

ferramentas de monocortantes, sendo que tais ferramentas tm geometria definida (cunhas

cortantes com formato e tamanhos conhecidos) [Souza, 2011]. Pode-se ver uma representao

esquemtica de um processo de torneamento na Figura 1.1 para duas operaes de corte

externo distintas: faceamento e corte longitudinal.

Na Figura 1.1, ap indica a profundidade de corte, n indica o sentido de rotao da

pea e f indica a direo e o sentido de avano (movimento da ferramenta de corte,

respectivamente, perpendicular e paralelo ao eixo de rotao da pea).

Sempre que uma superfcie submetida a um processo de torneamento, a ferramenta

de corte deixa gravada nela uma marca, caracterizada por ser peridica e ter, em teoria, a

forma negativa (espelhada) da ferramenta que a gerou.

1 Velocidade de corte a velocidade perifrica da ponta da ferramenta na pea.

2 Avano o deslocamento da ferramenta de corte paralelamente ao eixo de rotao, em uma volta da pea

durante, a usinagem.

3 Profundidade de corte definida pela espessura da camada de material retirada da pea que est sendo usinada.

2

Figura 1.1: Esquema dos movimentos relativos entre a pea e a ferramenta [Sandvik, 2009]

A Figura 1.2 esquematiza como a rugosidade gerada em torneamento de forma

dependente do avano e da geometria da ferramenta de corte (raio de ponta).

(a) (b)

Figura 1.2: Esquema do perfil terico de corte e da ferramenta responsvel pela gerao da

rugosidade [adaptado de Machado et al., 2009]

As ferramentas de corte alisadora (wiper) e convencional (standard) resultam em

superfcies com caractersticas microgeomtricas diferentes, como ilustra a Figura 1.3.

(a) wiper (b) standard

Figura 1.3: Esquema do perfil de corte pela ferramenta: (a) alisadora; (b) convencional

[Grzesik e Zalisz, 2008]

Uma pastilha convencional tem raio de ponta nico, que pode variar de 0,1 a 2,4 mm.

Alm disso, a rugosidade est diretamente relacionada ao avano utilizado. O raio de ponta

3

em uma pastilha alisadora (wiper) tem sua construo utilizando de 3 a 9 raios diferentes. Isso

aumenta o comprimento de contato das pastilhas e o efeito das faixas de avano ou a

superfcie de um modo positivo [Sandvik, 2009].

A textura gerada no torneamento o que determina a rugosidade da superfcie.

Quando o processo de desbaste, a textura/rugosidade gerada pelo torneamento

grosseira, quando comparada superfcie gerada em processo de acabamento, pois os

movimentos de avano e profundidade de corte so maiores do que no acabamento. Isso se

deve ao fato de que, no desbaste, o objetivo , grosso modo, retirar material da pea, i.e.,

prepar-la para o processo de acabamento que, ao que tudo indica, vir logo aps; e na etapa

de acabamento, a meta deixar a superfcie com uma rugosidade o mais prximo possvel

da desejada e necessria para seu uso.

A rugosidade da superfcie usinada por torneamento o resultado, principalmente, da

velocidade e profundidade de corte e das caractersticas geomtricas da ferramenta. Contudo,

existem outros fatores que podem influir sobre a gerao de rugosidades, dentre eles:

deformaes plsticas, rupturas, recuperao elstica, gerao de calor, vibrao, tenses

residuais, reaes qumicas etc. [Benardos e Vosniakos, 2003].

A rugosidade um parmetro muito importante em processos de fabricao, pois

define quanto tempo de trabalho dever ser despendido com uma pea at que ela obtenha o

acabamento desejado. Normalmente, quando sua topografia muito acidentada, a superfcie

dita mais rugosa; e quando menos irregular, diz-se menos rugosa (ou mais lisa). Pode-se

observar na, Figura 1.4, como as diferentes influncias so consideradas, dada cada ordem

(tipo) de desvio que pode ocorrer.

Desvio de 1 Ordem Desvio de 2 Ordem

Desvio de 3 Ordem

Desvio de 4 Ordem

Rugosidade da Superfcie

Figura 1.4: Ordens de desvio da superfcie [adaptado de Lu, 2008]

A primeira ordem (desvio de forma) e a segunda ordem (ondulao) referem-se a

4

irregularidades macrogeomtricas, causadas por: defeitos em guias de mquinas-ferramentas,

deformaes por flexo da mquina ou da pea, fixao errada da pea ou da ferramenta,

deformaes por temperatura, desgastes, vibraes, etc. A terceira ordem (ranhuras) e a quarta

ordem (estrias, escamas, ressaltos) referem-se a: irregularidades microgeomtricas devido

forma da cunha cortante da ferramenta, avano, profundidade de corte, mecanismos de

formao de cavacos, tratamentos superficiais etc.. As diferentes ordens se superpem e

formam o perfil real da rugosidade superficial [DIN 4760:1982-06; Lu, 2008]. Vale lembrar

que a funcionalidade da superfcie precisa sempre ser considerada; por exemplo, a superfcie

externa do bloco de um motor a combusto interna no exige o mesmo grau de acabamento

que a superfcie da cmara de combusto interna.

Apesar da boa previsibilidade terica da rugosidade, sabe-se que grande parte das

peas produzidas necessita de mensurao das rugosidades e, na atualidade, de maneira geral,

faz-se uso de medies baseadas em tcnicas que utilizam sistemas mecnicos que a medem

atravs de uma agulha/ponteira/probe [Clarke e Thomas, 1979; Dhanasekar et al., 2008; Goch

et al., 1999; Kiely et al., 1992; Kima et al., 2002; Mattsson e Wagberg, 1993; Shiraishi, 1989;

Tay et al., 2003; Thurn e Brodmann, 1986; Wang et al., 1998; Wang et al., 2003; Yanagi et

al., 1986; Yim e Kim, 1994]. Esses mtodos mecnicos de medio, apesar de serem muito

eficientes e precisos, implicam remoo da pea da mquina e/ou interrupo da operao de

corte para a realizao da medio. Quando a mquina parada, seja para medir-se da

rugosidade sem a retirada da pea, seja para a retirada da pea da mquina, perde-se tempo e

aumenta-se o custo de produo. Caso o processo no seja interrompido, a medio da

rugosidade s poder ser realizada encerrada a usinagem, o que pode acarretar na perda total

da pea fabricada e perda total do tempo investido nesse processo.

Alm dos sistemas mecnicos por contato, existem alguns mtodos de medio sem

contato que so utilizados, tambm acarretando a necessidade de parada (interrupo) do

processo, ou somente sendo aplicveis aps o trmino da etapa de corte, como os

perfilmetros pticos (por interferometria e por deteco do erro focal) [Moy et al., 2011] e

at sondas de varredura microscpica (AFM4) [Durakbasa et al., 2007].

Estatsticas mostram que o tempo de mquinas operatrizes paradas, na indstria, chega

a 6,8%, por quebra de ferramentas de corte. Assim, um processo que faa o monitoramento

constante desta ferramenta e seja capaz de prever sua quebra iminente seria de grande ajuda.

Alm disso, se este monitoramento fosse capaz de verificar a rugosidade (acabamento da

4 AFM = Microscpio de Fora Atmica (do ingls Atomic Force Microscope).

5

superfcie) da pea que est sendo usinada, isso seria til ao processo como um todo [Rehorn

et al., 2005], pois, o objetivo da fabricao conseguir a melhor relao custo/benefcio

[Klocke, 2011]. Por isso, desde o final dos anos 1970, tm-se buscado desenvolver sistemas

capazes de realizar tal monitoramento [Clarke e Thomas, 1979].

A investigao da topografia da pea pode ser feita usando-se medies in-situ5, ou

pode ser realizada aps a produo da pea, chamadas ex-situ6. Quando a obteno da

rugosidade realizada ex-situ, tem-se comumente o uso de apalpador (ou agulha) tecnologia

j consolidada nos meios acadmico e cientfico. Neste caso, preciso parar a mquina-

ferramenta para que a pea seja retirada dela. Assim, o apalpador percorre a superfcie

tocando a pea, determinando a rugosidade em funo das perturbaes geradas pela

topografia da pea usinada na agulha. J os mtodos in-situ no fazem uso de agulhas, mas de

sistemas pticos que empregam laser e so capazes de fornecer dados de rugosidade por

espalhamento ou adaptao focal. Alm disso, quando a medio realizada in-situ, a

medio mais rpida, evitando perda de tempo com reconfigurao da mquina e at, de

maneira eventual, recalibrao [Byrne et al., 1995].

Ambas as tcnicas (in-situ ou ex-situ) requerem certo grau de habilidade para os

devidos ajustes e interpretaes das informaes obtidas. Pensando nisso, realizou-se um

estudo sobre medio de rugosidade por mtodos que no utilizem contato fsico e que

possam ser implantadas em medidas in-situ e on-line7.

Com o passar dos anos, foram sugeridas e utilizadas diferentes tcnicas para medies

de rugosidades: capacitivas, resistivas, pneumticas, friccionais [Sherrington e Smith, 1988a].

Contudo, as que apresentaram melhores resultados so as que utilizaram luz (os chamados

mtodos pticos). Assim, direcionou-se este estudo para este tipo e, mais especificamente,

para mtodos que empregam laser. Diferentes pesquisadores conseguiram alcanar grande

xito em seus trabalhos. No entanto, os dispositivos usados por eles eram bastante complexos,

por fazerem uso de anlise de imagens, cmeras CCD, focalizao precisa do laser; todavia,

resultados prticos com acertos prximos a 90% foram encontrados [Kima et al., 2002, Lu,

2008; Persson, 2006, Tay et al,. 2003, Valliant et al., 2000, Wang et al, 2003].

Algumas formas de medio de rugosidade por meios pticos utilizam essencialmente

5 In-situ expresso latina que significa no lugar. Neste caso, tem significado referente anlise a ser realizada

no local em que a pea fora fabricada (sem retira-la da mquina operatriz).

6 Ex-situ expresso latina que significa fora do lugar. Neste caso, tem sentido contrrio expresso in-situ.

7 On line, neste caso, refere-se tomada de dados da determinada medio a ser realizada durante a fabricao da

pea que vai ou est sendo estudada.

6

a anlise do sinal que retorna ao detector aps a luz incidir na superfcie em estudo. Esta

anlise pode ser feita de diferentes formas, tais como o estudo de speckle8. Neste estudo,

segundo Persson, 2006, verificam-se as zonas claras e escuras (mximos e mnimos de

interferncia) da imagem preto-e-branco formada e o estudo do espalhamento difuso, causado

pela superfcie, em que se faz uso de um detector que abrange um grande ngulo da reflexo.

Uma maneira de medir a rugosidade utilizar o Modelo de Difrao de Fraunhofer;

entretanto, apenas aplicvel a rugosidades que sejam muito menores que o comprimento de

onda (), utilizado na medida [Tay et al., 2003]. A difrao , junto com a interferncia, um

fenmeno tipicamente ondulatrio, descrito, pela primeira, vez por Leonardo da Vinci (1452-

1519) e, mais tarde, em publicao pstuma, por Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) em

1665. De acordo com Christiaan Huygens (1629-1695), a difrao ocorre quando a frente de

onda encontra um obstculo que tenha tamanho aproximado do comprimento de onda; assim,

cada parte da frente de onda passa a se comportar como uma nova fonte que originar ondas

circulares distintas, que podem interferir umas com as outras [Born e Wolf, 1980].

Segundo Thurn e Brodmann, 1986, as principais motivaes para a utilizao de

medidas pticas de superfcie so robustez, velocidade (tempo de reao baixo), preciso e

alta capacidade de adaptao a diferentes tipos de peas, geometrias, ambientes e situaes.

Tomando-se isso como referncia, prope-se o estudo de um sistema capaz de realizar

as mesmas medies de rugosidade com o uso de laser, porm sem os dispositivos de anlise

de imagem, cmeras CCD, softwares e controladores de foco. Sugere-se esse mtodo, uma

vez que adequado para superfcies torneadas, brunidas, lapidadas, retificadas e polidas [Kim

et al., 2002; Wang et al., 2003]. Alm disso, o laser apresenta comprimento de onda definido

por uma banda de frequncias (tanto mais monocromtica quanto mais estreita a banda),

maior facilidade em ter sua intensidade constante e , geralmente, colimado. Geralmente, a

medio da rugosidade com o uso do laser com = 660 nm a mais aplicada, pois permite

fazer medidas de superfcies com rugosidades entre 5 e 500 nm [Valliant et al., 2000].

Pelo fato de a proposta tratar de equipamento de teste mais simples que seus

antecessores pretende-se analisar o sinal laser (com detectores semicondutores antigamente

chamados de detectores de estado slido) visando diferenciar padres de rugosidade. E dessa

forma, classific-los para que, consequentemente, seja possvel reduzir o tempo de medio

de superfcies (anteriormente realizado com dispositivo mecnico tctil).

8 Speckle: um fenmeno ptico que causa a formao de imagem com diversos pontos claros e escuros

causados por interferncia entre as frentes de onda de uma fonte de luz coerente refletidas em uma superfcie.

7

1.1 Objetivos

1.1.1 Geral

Promover a deteco mais rpida de rugosidades, atravs da concepo de um

equipamento capaz de identificar diferentes padres de textura, a partir de reflexo de laser

incidido sobre a superfcie gerada por torneamento.

1.1.2 Especficos

Estudar as tcnicas envolvidas com medida de rugosidade com e sem contato, com

especial nfase nos mtodos de medio sem contato que utilizam laser nas medies.

Desenvolver um dispositivo, ao longo do processo, de estudo para que os testes e as

medidas sejam efetuados.

Medir os sinais laser refletidos pela superfcie em estudo, visando gerar uma funo

capaz de traduzir este sinal (medido em volts) em um parmetro de rugosidade conhecido.

1.2 Justificativa

Assim como o rugosmetro de agulha, as tcnicas de perfilometria por contato e o

AFM no so possveis de serem utilizados in-situ. Alm disso, o mtodo de medio de

rugosidade proposto aplicvel em situaes de medidas em que a superfcie estudada esteja

em movimento (ou no). Outra vantagem no haver necessidade de contato, o que evidencia

a vantagem sobre mtodos que exijam parada do equipamento para a medio.

Com o sistema ptico de medio via reflexo de laser (que faz uso de detector de

menor custo que a cmera CCD e no precisa de anlise de imagens), espera-se poder realizar

medidas in-situ/on-line e, assim, efetuar uma varredura completa do perfil de rugosidade da

pea usinada.

1.3 Organizao da Dissertao

A dissertao est organizada conforme os itens que se seguem:

Captulo 2 Rugosidade. Neste captulo, far-se- uma rpida reviso a respeito deste

tema, citando os diferentes parmetros de rugosidade, vantagens, limitaes e o porqu do

8

parmetro de rugosidade mdia (Ra) ser utilizado predominantemente no trabalho. Tambm

sero apresentados os mtodos de medio de rugosidade por laser, atravs de uma concisa

reviso histrica do desenvolvimento desse tipo de mtodo e uma breve explicao deste

princpio fsico, utilizado na maioria das medidas pticas de rugosidade.

Captulo 3 - Proposta de Metodologia de Medio de Rugosidade. Aqui ser

apresentado o detalhamento da proposta a respeito do desenvolvimento do dispositivo de

medio e sua devida caracterizao.

Captulo 4 Materiais e Mtodos. Descrio dos dispositivos, equipamentos,

materiais, ferramentas, acessrios, sistemas e de outros itens utilizados nos ensaios realizados.

Captulo 5 Experimentaes. Detalhamento dos procedimentos para a realizao

dos testes e aquisio dos dados (intensidade laser refletida e rugosidade Ra), considerando

amostras distintas de superfcies torneadas, obtidas em diferentes condies de corte.

Captulo 6 Resultados. Apresentao dos mesmos em formato de tabelas e grficos.

Captulo 7 - Concluses. Consideraes finais a respeito dos resultados obtidos em

funo dos objetivos propostos, vantagens e limitaes do sistema de medio implantado, e

apresentao de propostas para trabalhos futuros.

9

2 RUGOSIDADE

O estudo do acabamento superficial torna-se importante nos casos em que se exige

uma exatido no ajuste entre peas unidas e naqueles em que padres dimensionais e de forma

devam ser satisfeitos para garantir a funcionalidade do conjunto.

Segundo Mesquita, 1992, o processo de usinagem realizado a fim de obter uma

superfcie que apresente fatores superficiais (textura) e subsuperficiais (integridade)

apropriados, com o propsito de garantir segurana, qualidade e longa vida ao item fabricado.

Quando analisadas em detalhes, as superfcies usinadas das peas exibem

irregularidades formadas por sulcos ou marcas deixadas pela ferramenta que atuou sobre tal

superfcie. De acordo com Machado et al., 2009, a rugosidade de uma superfcie composta

de irregularidades finas ou erros microgeomtricos, resultantes do processo de corte.

A rugosidade gerada na usinagem mais influenciada pelo processo que pela

mquina. Conforme Machado et al., 2009, os fatores que podem contribuir com a rugosidade

gerada so marcas da quina da ferramenta ou de fragmentos dela, as quais podem apresentar

natureza peridica para alguns processos e aleatria para outros; gerao de rebarba do

material durante a operao de corte; restos de aresta postia de corte de uma ferramenta na

superfcie usinada; forma geomtrica do quebra-cavaco na quina da ferramenta.

Rugosidade uma medida da topografia da superfcie de interesse. Suas reentrncias,

salincias, riscos, buracos e ondulaes so de interesse da indstria em geral, pois ela que

classifica a superfcie, seu aspecto e caractersticas necessrias ao seu uso. Ou seja, a contar

deste valor de rugosidade que pode ser garantida a qualidade superficial da pea em questo.

Assim, usa-se essa classificao para assegurar a diminuio de atrito, proporcionar melhor

vedao ou acoplamento, e tambm quanto ao aspecto visual exigido pela superfcie tcnica.

Alm disso, a investigao da topografia da superfcie usinada , neste caso, fator que pode

fornecer indiretamente importante indicativo de desgaste da ferramenta de corte, com se pode

ver em Dagnall9 apud Sherrington e Smith, 1988a,b.

No Brasil, a rugosidade normatizada pela ABNT/NBR ISO 4287:2002.

A rugosidade medida de acordo com a quantidade de picos e vales apresentadas pela

superfci. Se esses picos e vales tm grandes desvios na profundidade e altura em relao

superfcie mdia, ela considerada rugosa; se tm poucos desvios, considerada lisa.

9 Dagnall, H., 1980, Exploring Surface Texture, Rank Taylor Hobson, Leicester, 170p.

10

2.1 Caracterizao da Superfcie

Para medir as salincias e reentrncias na superfcie, devem-se considerar alguns

aspectos de nomenclatura. Existem, para fins prticos, duas superfcies: a geomtrica e a real.

A superfcie geomtrica a considerao terica, ou como seria a superfcie ideal, sem

nenhum tipo de imperfeio. J a superfcie real , de fato, a superfcie em estudo, em que,

dependendo do grau de detalhamento utilizado em sua anlise, sempre apresenta certo grau de

irregularidades. Observam-se, na Figura 2.1, as diferenas entre essas duas superfcies. Essas

imperfeies so heranas do processo de fabricao, por exemplo, por torneamento,

laminao, forjamento, ataque qumico, retificao.

(a) (b)

Figura 2.1: Croqui de superfcies: (a) geomtrica; (b) real [ABNT/NBR ISO 4287:2002]

A superfcie efetiva aquela obtida pelo instrumento de medio. Quanto maior for a

qualidade do sistema de medio, mais ela se aproxima da superfcie real.

A rugosidade da superfcie pode ser afetada por fatores inerentes superfcie e/ou

decorrentes do processo de fabricao, tais como ondulao na superfcie e defeitos na forma

(planicidade), conforme mostra a Figura 2.2.

Figura 2.2: Diagrama dos elementos que influenciam no perfil da superfcie. [Rosa, 2004]

11

2.2 Parmetros de Rugosidade

No Brasil, a norma ABNT-NBR 4287-2002 responsvel pelo fornecimento de

especificaes a respeito de parmetros de rugosidade superficial.

Os parmetros de rugosidade so diferentes e aplicveis a diversas situaes. A sua

escolha depende da aplicao da superfcie, sendo recomendado o uso de mais de um

parmetro para identificar particularidades desejveis.

Exemplificando, a medio da rugosidade de uma pea utilizada em vedao tem de

preencher diferentes requisitos, quando comparada com peas utilizadas em um eixo motor

(sem necessidade de vedao). No caso da pea de vedao, um parmetro que identifique os

maiores picos de rugosidade pode melhor caracterizar a qualidade da superfcie que outro que

fornea apenas o valor mdio das alturas de picos e vales; um pico de rugosidade elevado em

uma pea de vedao pode causar vazamentos, e isso no tem importncia em um eixo.

O parmetro de rugosidade mdia (ou desvio mdio aritmtico) Ra (do ingls

Roughness Average) um parmetro bem conhecido e utilizado por engenheiros h dcadas,

servindo basicamente, como modelo de medida. Ele reflete um parmetro conhecido e

comprovado experimentalmente; assim, sua utilizao fornece soluo confivel [Kovks et

al. 2012]. Alm disso, Ra o padro de rugosidade mais usado em mbito internacional em

usinagem [Mesquita, 1992].

A rugosidade Ra calculada pela mdia aritmtica dos valores absolutos das ordenadas

Zi(x), conforme a Figura 2.3 e de acordo com a Equao 2.1.

Figura 2.3: Distncias de pico e de vale e representao da linha mdia para um dado

comprimento de avaliao [NBR ISO 4287:2002]

12

l

a i

m 0

1R Z (x) dx

l (2.1)

onde: lm = comprimento de avaliao

Zi(x) = distncias de pico (Zp) e de vale (Zv) da amostra

Em usinagem com ferramentas de geometria definida, a rugosidade Ra calculada

partindo da relao entre o avano f [mm/volta] e o raio de ponta r [mm] da ferramenta de

corte pela Equao 2.2. Mello et al., 2012, determinaram, de forma emprica, a Equao 2.3,

para calcular, respectivamente, a rugosidade mdia Ra [m] para a ferramenta wiper.

2

a

1000 fR

18 3 r

(2.2)

2,12

a

-r

R = 0,520 +3,56f

(2.3)

O parmetro Ra geralmente utilizado para medir a rugosidade de superfcies em uma

linha de produo, superfcies com sulcos peridicos (gerados por torneamento e fresamento)

e para superfcies em que apenas o acabamento esttico importante [Whitehouse, 1994].

Outro parmetro de rugosidade bastante empregado o desvio quadrtico mdio dos

valores Rq (do ingls Root Mean Square ou RMS). Assim como Ra, o parmetro Rq tem as

mesmas utilizaes e fornece ao usurio, de maneira essencial, a mesma informao, j que

ambas so mdias; contudo, amplifica os valores que se distanciam da mdia. O parmetro Rq

calculado pela Equao 2.4.

l

2

q i

m 0

1R Z (x) dx

l (2.4)

O parmetro Rt, denominado altura total do perfil, uma medida mais simples e no

exige clculos. Rt representa a maior distncia de pico a vale em cada comprimento de

amostragem10

i, dentro do comprimento de avaliao. Tomando como exemplo a Figura

2.3, o parmetro Rt seria igual a Zt3 = Zp3 + Zv3, por ser o maior dentre todos os Zti. Este

parmetro comumente usado para analisar a rugosidade de superfcies de vedao, assentos

10

O comprimento de amostragem denominado cut-off. Em instrumentos de medio, o comprimento de

avaliao geralmente subdivido em 5 ou 7 comprimentos de amostragem.

13

de anis de vedao, superfcies dinamicamente carregadas, parafusos altamente carregados,

superfcies de deslizamento cujo perfil efetivo peridico [Whitehouse, 1994].

O parmetro Rz, chamado altura mxima do perfil, a soma da maior altura entre

todos os picos e da maior profundidade entre todos os vales no comprimento de avaliao. Na

Figura 2.3, o maior pico o Zp6 e o maior vale o Zv2. Assim, Rz = Zp6 + Zv2. Este parmetro

tem, essencialmente, as mesmas aplicaes que Rt, entretanto mede a superfcie de forma

integral, sem levar em considerao os comprimentos de amostragem i, observando todo o

comprimento de avaliao [Whitehouse, 1994].

2.3 Medio de Rugosidade

De acordo com Gonalves Jr e Sousa, 2008, denomina-se processo de medio o

conjunto de fatores envolvidos em uma operao de medio; abrange o meio de medio, o

procedimento de medio, o agente que efetua a medio, o mtodo de medio e a clara

definio do mensurando.

Medies de rugosidade so necessrias para quantificar ou classificar a superfcie.

Ela pode estar com acabamento visualmente satisfatrio, entretanto, quando medida com

rugosmetro, ela pode ficar fora das especificaes de projeto.

Pensando nisso, foram desenvolvidas, ao longo dos anos, diferentes tcnicas de

medio de rugosidades ou avaliao de acabamentos. O trabalho de Sherrington e Smith,

1988a, mostrou diferentes meios para faz-lo, cada um deles aplicvel a certa faixa de

rugosidades e com suas limitaes:

mtodos capacitivos: aplicam-se a rugosidades Ra maiores do que 3,2 m; entretanto, no

podem ser usados para medir grandes comprimentos de medio/avaliao (at 15 mm);

mtodos pneumticos: no so indicados para rugosidades abaixo de 0,15 m e so de

muito difcil ajuste, o que praticamente impossibilita o seu uso comercial;

mtodos friccionais: dependem fortemente do tipo de superfcie (caractersticas

tribolgicas) que se est estudando, restringindo seu uso quando as rugosidades so

superiores a 3,2 m.

A rugosidade , em geral, medida com uso de mtodos mecnicos tteis, i.e., que

fazem uso de um apalpador (tambm chamado de ponteira, ou agulha, ou sonda). Tais

mtodos tm eficcia comprovada e so amplamente aceitos como instrumentos de medida,

inclusive existindo dispositivos fabricados, comercialmente, em uma srie de diferentes

marcas e modelos (Mitutoyo, Defelsko, Instrutemp, PCE Instruments, etc.).

14

Na medio da rugosidade, so recomendados valores para o comprimento da

amostragem (cut-off), conforme Tabela 2.1.

Tabela 2.1: Tabela de comprimento da amostragem (cut-off)

Rugosidade Ra [m] Mnimo cut-off [mm]

De 0 at 0,1 0,25

Maior que 0,1 at 2,0 0,80

Maior que 2,0 at 10,0 2,50

Maior que 10,0 8,00

A Figura 2.4 ilustra a classificao dos acabamentos superficiais (geralmente

encontrados na indstria mecnica) em 12 grupos, e as organiza de acordo com o grau de

rugosidade e o processo de usinagem que pode ser usado em sua obteno.

Figura 2.4: Faixa de valores de rugosidade mdia para diferentes processos de fabricao por

usinagem [Souza, 2011].

15

As fontes de erros de medio, nesses casos (por contato com uso de apalpador), so:

dimetro da ponta da agulha;

carga aplicada pela ponta da agulha;

velocidade de deslocamento da agulha;

deslocamento lateral da agulha devido s irregularidades;

danos causados pela sapata ou calo;

elasticidade da superfcie tcnica.

A determinao da incerteza de medio da rugosidade um tema ainda em estudo,

pela sua alta complexidade.

2.4 Avaliao da Rugosidade por Mtodos de Medio a Laser

Sem excees, os autores estudados partiram do princpio de que a luz, quando incide

em uma superfcie, refletida. Essa reflexo acontece de maneira mais ou menos difusa e,

dessa forma, a rugosidade relaciona-se com o espalhamento.

Considerando que as medidas de rugosidade, na maior parte das vezes, so realizadas

aps a produo da pea, desde Beckmann e Spizzichino11

apud Yanagi et al., 1986, a

medio ptica vem-se mostrando muito til na soluo dos problemas, evitando a parada da

produo. Estes contratempos decorreram, de forma intrnseca, dos mtodos por contato, tais

como sensibilidade a vibraes, custos elevados, lentido, sensibilidade umidade e

temperatura, amostra riscada pela agulha, amostra com dimenses limitadas, dificuldade de

medir superfcies curvas e a impossibilidade de serem usados in-situ [Osanna et al., 1988].

Uma srie de trabalhos, baseados em monitoramento ptico/laser, foi realizada at o

final da dcada de 70. Neles sugeriram-se diferentes mtodos de medio de rugosidade sem

contato (capacitivos, friccionais e pneumticos), abandonados por apresentarem muitas

dificuldades tcnicas. Clarke e Thomas, 1979, baseando-se na Anlise de Escaneamento a

Laser (LSA Laser Scanning Analysis) de Westberg, 1967, desenvolveram uma metodologia

que usava o efeito denominado glossmeter (medidor de brilho). No caso, um feixe de laser era

refletido a partir de um espelho poligonal que girava a alta velocidade sobre a superfcie da

amostra e ento o feixe era refletido para um detector fixo de abertura conhecida. Registrando

variaes na refletncia da superfcie atravs da variao do sinal podia-se estabelecer uma

11

Beckmann, P.; Spizzichino, A., 1963, The Scattering of Electromagnetic Wave from Rough Surfaces, Pergamon, Oxford, pp. 69.

16

relao com variaes de textura da pea em anlise. O dimetro do ponto de laser foi fixado

em 200 m e = 623 nm. O detector permanecia fixo, posicionado a um angulo transversal

igual a 30 e a captao de pontos tinha frequncia mxima de 5 kHz.

Ento, um mtodo que poderia ser realizado mais rapidamente foi proposto por Yanagi

et al., 1986. A contribuio dele foi observar que a pea, na qual se fazia a medida, deveria

estar, por completo, livre de impurezas, pois a sujeira aumentaria o espalhamento na

superfcie, degradando o sinal, em um indicativo de que o mtodo bastante sensvel.

Medidas da rugosidade com maior rapidez e preciso foram estabelecidas por Thurn e

Brodmann, 1986. Em seu sistema, uma fonte de luz (diodo IR) era projetada na superfcie da

amostra. A luz refletida e espalhada da superfcie era direcionada a um detector atravs de

lentes e divisor de feixe. Aps, o sinal dos detectores era digitalizado e, em sequncia,

processado no microcomputador. Eles ressaltaram que o procedimento proposto era capaz de

fornecer, indiretamente, informaes a respeito da ferramenta de corte e que ainda poderia ser

realizado in-situ e on-line.

O mtodo de medio de Osanna et al., 1988, diferencia-se dos anteriores, j que seu

sistema foi desenvolvido com componentes comerciais de baixo custo. Tambm obtinham o

sinal proveniente do laser, mas no diretamente do laser refletido, e sim do sinal fornecido

pelo ajuste focal do laser sobre a superfcie, como mostra a Figura 2.5. O sistema proposto foi

testado, comparativamente, com rugosmetro por contato e os resultados foram satisfatrios.

Figura 2.5: Esquema da montagem de Osanna et al., 1988: as bobinas movimentam os ms

para manter o laser focalizado na superfcie

A necessidade de comparao entre os mtodos de medio de rugosidade

"tradicionais" e "inovadores", i.e., com e sem contato, foi ressaltada por Yim e Kim, 1990, no

17

intuito de corroborar ou refutar a inovao. A medio ptica (sem contato), atravs de

espalhamento, mostrou-se eficaz, porquanto foi possvel medir rugosidades de 0,025 m a 1,6

m. Observou-se tambm que o comprimento de onda, usado no laser incidente, deveria ser

escolhido com base no raio de curvatura da rugosidade esperada e na periodicidade da

ondulao da superfcie. Seus experimentos comprovaram que a incidncia normal , em

termos fundamentais, mais interessante que uma transversal, porque tende a maximizar a

adaptabilidade do sistema a diferentes configuraes de superfcies, permitindo que se possam

efetuar medies em faces planas, superfcies curvas, retificadoras, fresadoras e at,

diretamente, no torno em operao.

A Figura 2.6 mostra a intensidade refletida em funo do ngulo de reflexo. Nota-se

que o valor da intensidade mxima diminui com o aumento da rugosidade e tambm a largura

da curva de intensidade se amplia com o acrscimo da rugosidade. Isso mostra que o

espalhamento , de forma direta, ligado rugosidade.

Figura 2.6: Intensidade relativa (%) vs. ngulo de reflexo () [adaptado de Yim e Kim, 1990]

Considerando que o acabamento muito importante na engenharia moderna, Kiely et

al., 1992, propuseram um sistema de monitoramento ptico capaz de realizar medies mais

rpidas e exatas que os mtodos anteriores. Apresentaram um modelo comercial para obter

valores de rugosidade, baseado em ptica geomtrica, enfatizando que tal dispositivo no

destrutivo e/ou invasivo, sendo capaz de varrer toda a superfcie da amostra sem contato.

Mattsson e Wagberg, 1993, propuseram tambm a utilizao de itens/peas comerciais

18

na montagem de um sistema de medio. O dispositivo concebido fazia uso de um cabeote

emissor de laser, provindo de um leitor de CD que utilizava = 780 nm, um ponto focal de

aproximadamente 1 m de dimetro e sensibilidade vertical de 0,03 m. As medies

verticais eram obtidas por meio da autofocalizao do cabeote; atravs da diferena de sinal

existente em uma srie de detectores, o sinal da diferena vertical da amostra gerado. Por

um looping de alimentao, o sinal da vertical fora o sistema de lentes a se mover para a

posio que corresponda ao ponto focal inicial da superfcie, de forma semelhantemente ao

que fizeram Osanna et al., 1988, para obter a informao referente topografia da superfcie.

Yim e Kim, 1994, obtiveram comparao entre superfcies consideradas lisas e outras

rugosas e, baseados em Beckmann e Spizzichino apud Yanagi et al., 1986, desenvolveram um

dispositivo capaz de identificar, baseado na diferena de sinais, as duas superfcies.

Buscando desenvolver um mtodo com grande aplicabilidade na automao de

processos, Wang et al., 1998, aproveitaram os resultados de Leger e Perrin, 1976, que

utilizaram laser para medir tanto o espalhamento quanto a imagem do padro granular da

reflexo da luz coerente (speckle). Assim, capacitaram-se a fazer estimativa da rugosidade das

superfcies e enfatizaram as vantagens dos mtodos laser, frente aos mtodos de contato.

Goch et al., 1999, constataram que o mtodo a laser o que melhor se ajusta a

medies de rugosidade, j que mtodos tradicionais (com contato) para esta necessidade no

so aplicveis para medies on-line. Desta forma, utilizando o espalhamento e tambm a

medio do padro speckle, props-se fazer a comparao de dois padres de speckle de uma

mesma amostra, obtidos, contudo, com lasers com comprimentos de onda diferentes. Com

isso, chegaram rugosidade das superfcies estudadas.

A resposta rpida em sistemas de medio de rugosidade por laser foi introduzida por

Valliant et al., 2000. Realizaram medies utilizando laser com comprimento de onda na

regio do vermelho no espectro visvel ( = 660 nm) e constataram que a rugosidade no pode

ser inferior a 5% do comprimento de onda incidente (at 33 nm), pois haveria resultados

alterados que no representariam a realidade.

No estudo das propostas de Kim et al., 2002 e Wang et al., 2003, notou-se que ambos

basearam-se no padro de espalhamento resultante da rugosidade da amostra. O mtodo

mostrou erro de at 10% em relao a tcnicas de medio de rugosidade por contato.

Ressaltaram que medies a laser (usando = 633 nm) so ideais para processos de

torneamento, brunimento, lapidao, retificao e polimento [Kim et al., 2002]. Assim, de

acordo com o tipo de padro gerado pelo processo/ferramenta, a reflexo do laser pde

19

produzir um padro caracterstico, como mostra a Figura 2.7. Esta proposta mostrou a

vantagem de no sofrer a interferncia da luz ambiente durante as mensuraes, pois h o

procedimento de subtrair o sinal resultante da luz ambiente do sinal da medio.

Figura 2.7: Padro de imagem conforme direo das ranhuras [adaptado de Kim et al., 2002].

Baseado na medio da quantidade de luz espalhada, Wang et al., 2003,

desenvolveram o mtodo de mensurao laser de rugosidade, usando = 780 nm. O leque de

luz espalhada foi coletado por um arranjo de detectores, dispostos em um ngulo ao redor do

centro da reflexo especular, como ilustra o esquema da Figura 2.8.

Figura 2.8: Esquema da montagem do aparato [adaptado de Wang et al., 2003]

O aparato de Wang et al., 2003, conseguiu-se medir rugosidades de 0,005 a 6 m em

superfcies de peas torneadas com ferramenta de diamante e em superfcies de cobre e

alumnio polidas e lapidadas. Para a comprovao da eficincia, os dados obtidos na medio

com laser foram comparados com os coletados por rugosmetros de agulha (com contato). Os

resultados apresentaram uma diferena mxima de 9,1%. Entretanto, o sistema proposto no

20

foi muito eficiente em distinguir a diferena entre rugosidade e microtrincas e/ou defeitos.

Tay et al., 2003, propuseram um sistema laser in-situ que capturava a luz espalhada

pela amostragem de rugosidade de uma pea em um ngulo de abertura de 28 (com centro na

reflexo especular). Os autores apresentaram uma anlise do padro de espalhamento

produzido e tambm uma discusso especfica sobre o desenvolvimento da ponteira, a fim de

evitar o efeito do fluido lubrirrefrigerante e torn-la mais robusta. De acordo com os autores,

os seguintes fatores devem ser levados em considerao no desenvolvimento do dispositivo:

a luz espalhada deve ser captada em um ngulo grande (23 em torno do ponto central);

o sistema deve ter uma pequena razo entre o dimetro do feixe (d) e o dimetro da pea

medida (D) (isto , d/D). Isso garante o efeito da curvatura da superfcie seja minimizado;

o instrumento de medio no deve interferir na usinagem em momento algum.

Rehorn et al., 2005, observaram que o tempo perdido em processos de usinagem em

funo de quebra de ferramentas fica em torno de 6,8%. No entanto, Najafi e Hakim, 1992,

afirmaram que processos de monitoramento in-situ so capazes de melhorar esse nmero. A

previsibilidade facilitada no torneamento, porque a ferramenta est sempre posicionada de

forma perpendicular ao corte e monitoramento. Alm de melhorar as estatsticas em relao

quebra, as medies in-situ tambm otimizariam o tempo do processo de 10 a 50%.

Para descrever o seu mtodo de medio de rugosidade, Persson, 2006, criou o termo

Correlao Angular Speckle (ASC Angular Speckle Correlation) que estabelece a relao

entre a topografia e a rugosidade RMS (Rq) . Seus procedimentos so semelhantes aos de

outros autores [Kima et al., 2002; Tay et al., 2003; Valliant et al., 2000; Wang et al., 2003] j

que, todos utilizam a medida do espalhamento para inferir sobre a rugosidade.

O speckle produzido por uma pea rugosa foi relacionado com a rugosidade por

Dhanasekar et al., 2008. Enfatizaram a problemtica de mtodos por contato para medio de

rugosidade e exaltaram a robustez e a rapidez das medies com laser. O mtodo proposto

convertia o sinal de speckle do detector em imagem preto e branco, contabilizava a quantidade

de pontos luminosos e no luminosos, encontrando a correlao com a rugosidade.

Com uma viso mais abrangente, Weckenmann et al., 2009, propuseram a utilizao

de vrios sensores. Assim, podia-se obter uma viso mais ampla a respeito da amostra e, com

a superposio das informaes, montar somente uma resposta. Tendo diferentes fontes,

aumenta-se a confiabilidade do sistema, uma vez que os resultados se completam e

corroboram seus resultados. Um dos mtodos utilizado para caracterizar as peas o laser

empregando o speckle para obter o sinal, como descrito por Dhanasekar et al., 2008.

21

2.4.1 Espalhamento ptico

O espalhamento do laser em uma superfcie acontece em funo da textura por ela

apresentada. Assim, em teoria, a amostra mais rugosa ocasiona mais espalhamento difuso e a

superfcie menos rugosa, menos espalhamento [Natarajan, 2011]. Deste modo, seja medindo o

ngulo de abertura da reflexo espalhada, seja medindo o padro de imagem formada por ele

(vide Figura 2.7), ou at mesmo medindo a intensidade dessa reflexo espalhada [Heitmann,

1977], espera-se poder relacionar tal medida rugosidade da amostra.

Thurn e Brodmann, 1986, realizaram medies pticas de rugosidade utilizando um

equipamento que incidia luz em direo normal superfcie. Fizeram isso, com incio no

ngulo zero (chamado de ngulo de reflexo especular) e, ento, medindo a diminuio das

intensidades em cada ngulo, podia-se inferir a rugosidade. A Figura 2.9 ilustra o princpio.

Figura 2.9: Princpio de medio da luz espalhada [adaptado de Thurn e Brodmann, 1986].

Como se pode ver nas Figura 2.10 e Figura 2.11, o espalhamento da luz capaz de

gerar diferentes respostas e formas de sinal. Isso capacitou G. Thurn e R. Brodmann ao

desenvolvimento de novos dispositivos de medio.

Na Figura 2.10, tem-se: em (a) o esquema do aparato experimental em que ocorre o

espalhamento; em (b), v-se o espalhamento que foi gerado em uma superfcie cilndrica

torneada, resultando em um padro peridico de rugosidade que ocasiona um padro de

reflexo caracterstico; em (c), pode-se observar uma superfcie gerada por laminao v-se

que no h presena de padro peridico em seu relevo, o que resulta em uma reflexo de luz

sem padro caracterstico (gerou apenas um borro cujo centro tem intensidade mxima de

luz, que diminui medida que se afasta deste).

22

Figura 2.10: (a) princpio do mtodo de espalhamento de luz; (b) micrografia de superfcie

usinada em torno cilndrico e superfcie laminada a frio; (c) padro de espalhamento para

superfcie laminada a frio [adaptado de Thurn e Brodmann, 1986].

Na Figura 2.11, tm-se duas superfcies com rugosidades virtualmente iguais que

produziram efeitos distintos quando medidos com laser. No caso, a superfcie a, detentora

de maior amplitude entre picos e vales, provoca uma reflexo com menor espalhamento do

que a superfcie b, com amplitude menor entre picos e vales.

Figura 2.11: Esquema da influncia do perfil da amostra na distribuio de espalhamento para

duas superfcies (a e b) com rugosidades semelhantes [adaptado de Thurn e Brodmann,

1986].

Nesse sentido, pretende-se realizar um estudo prtico para a proposta de um mtodo

capaz de, opticamente e baseado em laser, realizar medio de rugosidade sem contato.

23

3 PROPOSTA DE MTODO DE MEDIO DE RUGOSIDADE

Como se sabe, uma superfcie idealmente lisa proporciona uma reflexo de luz

bastante uniforme. Sendo assim, a reflexo de um feixe laser tem direo e comportamento

bem conhecido [Paiva, 2004]. Entretanto, quando a reflexo da luz acontece em superfcies

reais, ocorre uma distoro da luz refletida, em funo da superfcie real apresentar

irregularidades quando comparada com a ideal.

A perturbao causada pela superfcie real est, diretamente, ligada s caractersticas

da superfcie em si. Cada pequena distoro pode ocasionar diferentes tipos de perturbaes.

Logo, superfcies geradas em situaes diferentes, com parmetros distintos no processo de

preparao, tendo rugosidades diferentes (ou semelhantes), causam efeitos desiguais na luz

refletida (vide Figura 2.10).

Com a inteno de desenvolver uma nova abordagem para a anlise de rugosidade de

uma superfcie usinada via mtodo de medio a laser, pretende-se, tomando como base o

resultado parcial da tcnica abordada por Yim e Kim, 1990, efetuar estudo para

desenvolvimento de tcnica capaz de caracterizar a rugosidade de uma superfcie gerada por

torneamento horizontal com base na luz laser a ser refletida por ela, fundamentando-se nos

trabalhos de Benardos e Vosniakos, 2003, Clarke e Thomas, 1979, Dagnall, 1980, Dhanasekar

et al., 2008, Kiely et al., 1992, Lu, 2008, Osanna et al., 1988, Sherrington e Smith, 1988a,

Sherrington e Smith, 1988b, Tay et al., 2003, Valliant et al., 2000, Wang et al., 2003. A

Figura 3.1 ilustra a configurao terica inicial do dispositivo.

Figura 3.1: Montagem esquemtica do sistema de medio proposto

No esquema da Figura 3.1, o laser ( = 633nm) emite continuamente, enquanto o

chopper fraciona o feixe em pulsos quasi quadrados. O feixe separado em duas partes no

divisor de feixe 1, parte dele captado e enviado ao lock-in para a gerao da referncia. Parte

do sinal, no desviado, segue para a amostra em que refletida. O laser proveniente da

24

amostra ento desviado, pelo divisor de feixe 2, e segue para o Det. 2. O sinal captado em

Det. 2 enviado ao lock-in, onde ser processado (ver item 4.2 na pgina n 28), para a

remoo de quaisquer rudos luminosos que, por ventura, possam estar presentes no local de

medio. Desta maneira, tem-se o sinal limpo, sendo possvel usar o equipamento em locais

em que seja necessria a iluminao para o operador das mquinas operatrizes.

Na proposta, ser utilizado apenas o ponto central, detectado com uma rea fixa, em

que acontecer, teoricamente, o mximo de sinal da reflexo (vide Figura 2.6). O mtodo

baseia-se no fato de superfcies rugosas provocarem maior espalhamento da luz que incide

sobre ela do que superfcies menos rugosas, ou a intensidade absoluta refletida varia

significativamente com a rugosidade da superfcie, [Heitmann, 1977]. Esta medio de

intensidade ser comparada com os dados de rugosidades conseguidos atravs do mtodo de

medio por contato (rugosmetro de agulha/apalpador).

Os diferentes nveis de sinal sero relacionados atravs de uma funo matemtica,

denominada funo de transferncia (FT). Definida a FT (relao entre o sinal laser medido e

os dados de rugosidade obtidos pelo rugosmetro), poder-se- inferir diretamente sobre o valor

da textura da pea dentro de certo intervalo de aceitao sem a necessidade de rugosmetro.

Como se espera realizar a monitorao de diferentes superfcies com distintos nveis de

rugosidade, refletividade e espalhamento, ser preciso gerar rugosidades diferentes.

Mtodos de medio a laser se adaptam, teoricamente, a processos in-situ de

torneamento, brunimento, lapidao, retificao e polimento [Kim et al., 2002], pois, segundo

Rehorn et al., 2005, a ferramenta estar parada (sem rotao) e quando transladada, faz isso

com muita firmeza e rigidez, proporcionando grande preciso no posicionamento do

dispositivo, condio necessria para medies de rugosidade a laser.

Na montagem do aparato para a realizao das medies, ser necessrio que se

possibilite que esse dispositivo seja capaz de:

proporcionar leituras do sinal de refletividade da superfcie;

movimentar a amostra de forma vertical e horizontal;

garantir uniformidade na potncia emitida pela fonte laser;

garantir uniformidade nos detectores;

proporcionar repetitividade12 de sinal quando efetuada a medio da mesma amostra em

dias diferentes.

12

Repetitividade , segundo Gonalves Jr e Sousa, 2008, a faixa de valores simtrica em torno do valor mdio,

dentro da qual o erro aleatrio de um sistema de medio esperado com certa probabilidade.

25

A rea iluminada ser circular, com aproximadamente 2,5 mm de dimetro. A fonte

luminosa a ser utilizada um laser OPTO HeNe (ver item 4.1 na pgina n 27), com

comprimento de onda nominal = 633 nm, por ser o mais indicado para as rugosidades que

se pretende estudar, e assim, espera-se escapar das flutuaes no sinal luminoso e difraes

que causariam perturbaes no sinal [Kima et al., 2002].

Quando de posse de todos os dados (tanto de refletividade quanto de rugosidade Ra)

medidos com o sistema de medio laser e o rugosmetro, a etapa de anlise ser efetuada,

procurando-se determinar, de modo indireto a rugosidade atravs da relao matemtica entre

Ra e o sinal laser SL (refletido de forma difusa). Uma vez determinadas as funes de

transferncia mais provveis (Ra = f(SL)), poder-se- corroborar a exequibilidade das medidas

com o novo sistema.

26

4 MATERIAIS E MTODOS

A Figura 4.1 mostra a foto, em viso geral, do sistema de medio desenvolvido com

base na proposta apresentada na Figura 3.1.

Figura 4.1: Sistema de medio laser desenvolvido

As etapas que seguem explicam o procedimento experimental realizado e posteriores

medies de sinal laser, que ser relacionado com a rugosidade superficial. Como, no clculo

de todas as mdias, sempre h necessidade de arredondamentos, e em decorrncia da

quantidade de algarismos significativos que esto sendo usados, estes procedimentos sero

desenvolvidos baseados na norma ABNT-NBR 5891, 1977.

Nas medies a serem feitas (do sinal laser refletido), medir-se-o quantidades de

tenso a serem associadas rugosidade da superfcie medida. Entretanto, essas medies

sero referentes a um mensurando varivel, uma vez que cada um dos vrios pontos tomados

em cada amostra fornecer uma lista de dados diferentes a serem usados para calcular a mdia

desses valores. Nos tipos de medies que esto sendo realizadas nas amostras para aquisio

de dados, haver possibilidades de erros aleatrios. As medies ocorrero, exceto as de sinal

do laser que refletiram na amostra, em dispositivos calibrados, e com incerteza conhecida.

O sistema de deteco do sinal laser, que foi montado para fazer as medies de sinal

refletido, utiliza o lock-in para leitura de sinal detectado. Conhece-se a resoluo13

do lock-in

por suas escalas. Alm disso, durante a realizao dos experimentos, foram feitas, (em dias

separados e em ocasies completamente distintas), quarenta medies repetidas de uma

mesma amostra em cada dia, obtendo-se uma diferena entre o maior e menor valor mdio do

sinal de menos de 10-3

V. Essas medidas mostraram-se aparentemente iguais, apresentando

13

A resoluo de equipamentos analgicos dada pelos valores da escala existentes entre duas marcas

sucessivas, e a resoluo, para esse sistema pode ser definida como 1/5 do valor da escala, pois se trata de

Sistema de Medio (SM) de boa qualidade (traos e ponteiros finos, etc.) [Gonalves Jr. e Sousa, 2008]

27

reprodutibilidade nos resultados e mantendo-se dentro do intervalo de confiana de 95% em

torno do valor mdio.

O rugosmetro SJ-201 (a ser usado para as medies efetivas de rugosidade Ra), por

exemplo, tem capacidade de proceder medies de rugosidade com resoluo de 0,01 m (ver

Figura 4.8). Entretanto, ele possui um padro, com rugosidade conhecida, para a verificao e

calibrao de seu sistema de medio, que pode ser realizado sempre que se julgar necessrio.

Ainda se deve levar em considerao a incerteza padro das medidas. Para este valor

utilizar-se- o valor do desvio padro das medidas realizadas [Gonalves Jr e Sousa, 2008].

4.1 Preparao do Laser e do Chopper

O dispositivo emissor laser utilizado (Figura 4.2) foi da marca OPTO HeNe, com

comprimento de onda = 633 nm (que ser chamado somente de laser), com potncia

nominal de 5 mW. A potncia de emisso verificada no alcana mais esse montante, sendo

encontrado para tal o valor de (3,662 0,004) mW. Para maiores detalhes, ver Seo 5.1.

Figura 4.2: Foto do laser

Para o emprego do referido laser, necessrio que conect-lo a uma fonte estabilizada

de tenso. Tambm preciso que ele seja ligado cerca de 30 min antes de efetuar o uso,

porque, neste intervalo, a intensidade do laser emitido varia bastante (este tempo gasto serve

apenas para aguardar a estabilizao da intensidade do laser). Dessa maneira, a potncia

emitida pelo laser aproximadamente constante, com uma incerteza de potncia

insignificante frente grandeza da potncia mensurada.

Outro dispositivo que deve ser ligado algum tempo antes de seu uso efetivo o

chopper. Ele responsvel por bloquear o feixe laser de forma intermitente, de modo que este

chegue amostra tambm de forma intermitente, e, como resultado, o sinal atinja os

28

detectores (de referencia e sinal da amostra) de maneira intermitente. Isso feito para que os

sinais luminosos da sala, que no sejam provenientes do laser, sejam filtrados pelo lock-in.

4.2 Amplificador Lock-in

O lock-in ITHACO-DYNATRAC 397E0 (Figura 4.3) o equipamento usado para

filtrar/amplificar o SL adquirido. No dispositivo proposto, o mesmo tem a funo de filtrar os

sinais indesejados de luz que, eventualmente cheguem ao detector.

Figura 4.3: Painel de configuraes do lock-in.

Segundo Thinks, 2013, o lock-in usado para medir sinais de corrente alternada muito

pequena, at da ordem de poucos nanovolts. Podem ser feitas medies exatas, mesmo

quando o sinal centenas de vezes menor que o rudo junto a ele. O lock-in usa uma tcnica

chamada de Deteco Sensvel Fase (PSD Phase Sensitive Detection), para fornecer a

resposta do sinal em uma referncia especfica de frequncia e fase. Os sinais que estejam em

outras frequncias que no sejam iguais a frequncia de referncia so rejeitados (filtrados) e

no afetaro a medida. As medies via lock-in requerem uma referncia de frequncia, neste

caso, gerada pelo chopper, e do sinal proveniente da amostra.

Na Figura 4.4, o sinal de referncia a onda quadrada de frequncia Wr. Se a sada

senoidal do gerador de funes usada para o experimento, a resposta a onda que se segue.

Figura 4.4: Esquema terico de funcionamento de um lock-in [adaptado de Wolfson, 1991].

29

O sinal dado pela Equao 4.1:

Resp sin r sinV sen(W t ) (4.1)

onde:

Resp = resposta do gerador de funes

Vsin = amplitude do sinal

Wr = a frequncia do sinal

sin = fase do sinal

O lock-in gera seu prprio sinal de referncia, baseado na onda quadrada fornecida a

ele. Na Figura 4.4, a referncia externa, a referncia do lock-in e o sinal da amostra so

mostrados. A referncia interna fica dada pela Equao 4.2:

Rint l l refV sen(Wt ) (4.2)

onde:

Rint = referncia interna

Vl = amplitude de referncia

Wl = frequncia de referncia

ref = fase de referncia

O lock-in amplifica o sinal e multiplica pelo sinal referncia usando a PSD. A sada

PSD simplesmente o produto de duas ondas senoidais (Eq. 4.3).

psd sin r sin l l ref

psd sin l r l sin ref sin l r l sin ref

V V sen(W t ) V sen(W t )

1 1V V V cos W t W t V V cos W t W t

2 2

(4.3)

A sada PSD dada por dois sinais AC: um da diferena de frequncias e o outro da

soma de frequncias. Ela passa por um filtro passa baixa e os sinais AC so removidos.

Porm se Wr = Wl, a componente da diferena de frequncias ser um sinal de corrente

contnua. Neste caso, o sinal da filtragem PSD ser dado pela Equao 4.4.

psd sin l sin ref

1V V V cos( )

2 (4.4)

Este sinal DC proporcional amplitude do sinal da amostra.

30

O lock-in utiliza o sinal proveniente da amostra e divide-o pelo sinal de referncia (no

caso, proveniente do mesmo feixe de laser, transformado em um intermitente) e integra em

um tempo especfico (geralmente da ordem de milissegundos at segundos) [Scofield, 1994;

Wolfson, 1991]. O equipamento ligado juntamente com o laser e o chopper e leva alguns

instantes para que localize a referncia e efetivamente inicie o processo de filtragem.

4.3 Posicionamento da Amostra

A amostra deve estar sempre posicionada de maneira que a incidncia do laser ocorra

de forma normal, i.e., a incidncia seja perpendicular superfcie.

A incidncia normal garantida, efetuando-se procedimento de alinhamento, em que o

feixe de laser posicionado paralelamente a uma mesa plana e horizontal. Visando garantir

que a posio da amostra esteja correta. Um espelho posicionado em seu lugar e o feixe

incidente refletido sobre ele mesmo, fazendo-o atravessar a fenda (vide Figura 4.1). Se o

feixe refletido incidir no centro da fenda, o posicionador de amostras (Figura 4.5), alinhado de

forma perpendicular ao feixe incidente, garantir a posio vertical da amostra. Alm disso,

assegura que o plano gerado pelo eixo da amostra e pelo feixe incidente forme um ngulo reto

em relao ao plano formado por este e pelos que vo at os detectores da amostra.

(a) (b) (c) (d)

Figura 4.5: Fotos do posicionador de amostras: (a) porta amostra em sua totalidade; (b)

detalhe da mesa de apoio e do batente de posicionamento; (c) sistema de translao vertical;

(d) o sistema de translao horizontal

Durante todo o processo de medio (alinhamento, posicionamento, reposicionamento

e registros), um cuidado especial foi tomado quanto a no tocar na amostra com a mo nua

(sem luvas), o que poderia transferir a oleosidade da mo do operador para as amostras

fazendo com que fosse foco de acmulo de poeira (como citado por Yanagi et al., 1986) e

tambm funcionando com o facilitador de oxidao.

31

O posicionamento da amostra durante as medies foi verificado atravs de relgio

comparador que apontava eventuais desvios no posicionamento. Aps as medies, as

amostras foram acondicionadas em papel macio e depositadas em ambiente livre de poeira

e/ou umidade a fim de conserv-las no caso de ser necessria a repetio de alguma medio.

4.4 Verificao do Alinhamento

Como supracitado, o alinhamento essencial. Em funo disso, procedeu-se seguindo

sempre as etapas abaixo relacionadas de modo a garantir que medidas realizadas em

diferentes ocasies estivessem to alinhadas quanto em um procedimento anterior:

1) Iniciava-se o alinhamento (no caso do primeiro procedimento) ou verificao do

alinhamento (no caso de procedimentos posteriores) com a inspeo visual,com o objetivo

de garantir que todos os detectores, laser, divisores de feixe, suporte de amostra e

transladadores estivessem alinhados.

2) Aps isso e a estabilizao do laser, a horizontalidade (nvel horizontal) do dispositivo

porta amostra foi verificada14, atravs de um nvel olho de boi (Figura 4.6a) e um

esquadro combinado completo (Figura 4.6b), alm de tambm verificar a movimentao

do ponto refletido na amostra15

(quando da translao vertical).

(a) (b)

Figura 4.6: (a) vista superior de um nvel bolha; (b) esquadro combinado completo.

3) Foi examinado ento, atravs do posicionamento de um espelho plano na posio da

amostra, se o laser refletido estava de fato incidindo no detector da amostra; da mesma

maneira, verificou-se se o divisor de feixe do sinal referncia estava na posio adequada.

Uma vez realizados esses trs passos, as amostras poderiam ser mensuradas.

14

Esta verificao de horizontalidade era um verificao grosseira, para caso de ser necessrio algum tipo de

reposicionamentos ou reajuste em algum dos parafusos de fixao do porta amostra.

15Esta checagem, em que era utilizando o ponto refletido, era a verificao fina do posicionamento.

32

4.5 Aquisio de Dados

A aquisio dos dados (ou processo de medio das amostras) foi realizada

verificando-se a intensidade de tenso lida no detector de amostra atravs do dispositivo lock-

in. Todas as leituras ocorreram aps a estabilizao dos mostradores, i.e., no acontecia

nenhuma oscilao tanto no display digital quanto no indicador analgico. Na Figura 4.7,

pode-se observar o painel de leituras do lock-in.

Figura 4.7: Fotografia dos monitores analgicos e digitais do lock-in.

Os parmetros de ajuste do lock-in deveriam estar sempre configurados da mesma

maneira, ou seja, igualmente medida inicial, de forma que se pudesse ter reprodutibilidade

nas medies. Esses parmetros foram fixados em ganho zero, tempo de integrao 0,25

s, sensibilidade variando de 0,1 a 10 mV (apenas variando quando necessrio, por motivo de

o sinal tornar-se muito grande ou muito pequeno para determinada escala, com objetivo de

aumentar a preciso da medio).

4.6 Softwares para Anlise de Dados

Os dados foram analisados atravs de clculos estatsticos e sob a forma de tabelas e

grficos. Nos grficos, procurou-se uma relao que permitisse ajustar uma funo que

relacionasse os dados coletados da refletividade da superfcie com os dados de rugosidade

medidos. Esta relao foi determinada pelo melhor ajuste de curva que mostrasse um

comportamento em que, para rugosidades muito pequenas, houvesse um sinal laser muito

grande e, para rugosidades altas, o sinal laser diminusse gradativamente. O ajuste de curvas

foi realizado pelo mtodo dos mnimos quadrados, atravs de ferramentas internas dos

softwares, bem como mdias, desvios padres e ndice de correlao.

Os softwares computacionais utilizados para analisar os dados foram o ORIGINLab

33

7.0, LabFit Curve Fitting Software 7.2.48 [Silva, 2011] e Microsoft

Excel. O ORIGINLab

7.0, permite realizar ajuste para funes determinadas, i.e., uma vez escolhida a equao, ele

procura o melhor ajuste usando o mtodo dos mnimos quadrados. O LabFit realiza uma

busca em sua coleo de aproximadamente 500 funes, de acordo com o nmero de

parmetros que se definem para a tentativa de ajuste, determinando-se a varivel dependente,

a varivel independente e a quantidade de parmetros. Assim, faz a busca, tambm utilizando

o mtodo dos mnimos quadrados. O Excel auxilia nos dados inseridos e nos clculos de

mdia de valores, verificaes a respeito da funo definida nos ajustes, entrada de dados e

manipulao de tabelas.

4.7 Procedimentos Preliminares

Inicialmente, realizou-se a montagem do sistema experimental, com o propsito de

apenas testar a sensibilidade de medio de rugosidade. Assim, verificou-se se o dispositivo,

em um todo, era capaz de diferenciar a intensidade de sinal da luz laser, que ora era refletida