A fabricação de ultraprecisão - com suas dimensões atingindo níveis submicrométricos - tem-se mostrado um campo de trabalho que exige combinação do que há de mais avançado nas áreas de materiais, metrologia e controle. Para alcançar tais níveis de precisão, é necessário que se garanta excelente desempenho de cada um dos componentes e/ou subsistemas das máquinas. Sendo o par tribológico mancal - eixo-árvore elemento vital para o desempenho de uma máquina ferramenta, e baseado em estudos recentes que mostram que mancais convencionais de rolamento estão rapidamente atingindo seu limite, o estudo dos mancais pressurizados externamente se impõe. Com a crescente demanda por rigidez e precisão de giro, tais mancais tem-se tornado solução convencional ao contrário de condição especial. Os mancais aerostáticos, em particular, apresentam alta precisão de giro, baixa geração de calor, ausência de desgaste, alto amortecimento e limpeza. Essas características os tornam bastante atrativos em ambientes de fabricação de ultraprecisão, especialmente na indústria óptica e eletrônica, como por exemplo, na fabricação de semicondutores. O presente trabalho objetiva a comparação entre os comportamentos de dois mancais aerostáticos, com restritor do tipo orifício e com material cerâmico poroso, em relação as capacidades de carga e rigidez. Os resultados indicam a superioridade do mancal com restritor poroso quanto a capacidade de carga e também em relação à rigidez. / Ultra-precision machining - whose dimensions can reach sub-micrometric levels - has been shown to be an area of work requiring a combination of the best of materials, metrology and control. To achieve such accuracy levels, it is necessary to guarantee excellent performance of every component and/or machine subsystems. Being the tribological associated pair bearing/spindle a vital element for the performance of a machine tool, and based on recent researches that show that rolling bearings are reaching their limit very quickly, there has been an increasing demand for aerostatic bearings. These present good characteristics of stiffness, radial and axial accuracy, low heating generation, wear resistance and cleanliness. These features make them quite attractive in ultra-precision manufacturing environments, specially in the optics and electronics industries, such as in the manufacturing of semiconductors. The present work compares the stiffness and load carrying capacity of orifice restrictor and porous ceramic aerostatic bearings. The results show the superiority of porous aerostatic bearings as to loading capacity as well stiffness.

A fabricação de ultraprecisão - com suas dimensões atingindo níveis submicrométricos - tem-se mostrado um campo de trabalho que exige combinação do que há de mais avançado nas áreas de materiais, metrologia e controle. Para alcançar tais níveis de precisão, é necessário que se garanta excelente desempenho de cada um dos componentes e/ou subsistemas das máquinas. Sendo o par tribológico mancal - eixo-árvore elemento vital para o desempenho de uma máquina ferramenta, e baseado em estudos recentes que mostram que mancais convencionais de rolamento estão rapidamente atingindo seu limite, o estudo dos mancais pressurizados externamente se impõe. Com a crescente demanda por rigidez e precisão de giro, tais mancais tem-se tornado solução convencional ao contrário de condição especial. Os mancais aerostáticos, em particular, apresentam alta precisão de giro, baixa geração de calor, ausência de desgaste, alto amortecimento e limpeza. Essas características os tornam bastante atrativos em ambientes de fabricação de ultraprecisão, especialmente na indústria óptica e eletrônica, como por exemplo, na fabricação de semicondutores. O presente trabalho objetiva a comparação entre os comportamentos de dois mancais aerostáticos, com restritor do tipo orifício e com material cerâmico poroso, em relação as capacidades de carga e rigidez. Os resultados indicam a superioridade do mancal com restritor poroso quanto a capacidade de carga e também em relação à rigidez. / Ultra-precision machining - whose dimensions can reach sub-micrometric levels - has been shown to be an area of work requiring a combination of the best of materials, metrology and control. To achieve such accuracy levels, it is necessary to guarantee excellent performance of every component and/or machine subsystems. Being the tribological associated pair bearing/spindle a vital element for the performance of a machine tool, and based on recent researches that show that rolling bearings are reaching their limit very quickly, there has been an increasing demand for aerostatic bearings. These present good characteristics of stiffness, radial and axial accuracy, low heating generation, wear resistance and cleanliness. These features make them quite attractive in ultra-precision manufacturing environments, specially in the optics and electronics industries, such as in the manufacturing of semiconductors. The present work compares the stiffness and load carrying capacity of orifice restrictor and porous ceramic aerostatic bearings. The results show the superiority of porous aerostatic bearings as to loading capacity as well stiffness.

Este trabalho apresenta o modelo numérico de um banco experimental onde foi feita uma avaliação sobre as características estáticas do eixo e a identificação das características dinâmicas de um mancal aerostático cerâmico poroso. Nos últimos anos, o uso da cerâmica estrutural tem crescido significativamente para a concepção e fabricação de peças mecânicas. O uso da cerâmica porosa como restritor em mancais aerostáticos pode melhorar o seu desempenho relacionado com o desgaste, a estabilidade térmica, a rigidez e capacidade de carga, permitindo que eixos trabalhem com precisão a uma velocidade acima de 20.000 rpm, com pequenas folgas (40 microns). A fim de investigar este tipo de mancal foram desenvolvidas análises estáticas para obter a rigidez do eixo de suporte, assim como do mancal aerostático cerâmico poroso e identificação dinâmica para o banco experimental. As análises estáticas indicaram a rigidez do eixo e do mancal aerostático de 20,1 kN/mm e 2,6 kN/mm, respectivamente. As análises dinâmicas indicaram que a primeira frequência natural do rotor está próximo de 1365,9 Hz, o que é muito mais elevada do que a primeira frequência natural da mancal aerostático cerâmico poroso cujo valor é 775,0 Hz. Pode-se concluir que a configuração geométrica e condições de suporte escolhidos permitem uma condição robusta para prosseguir com os testes experimentais para obter as características dinâmicas do mancal poroso. / This work presents the numerical model of an experimental set-up where it was made an evaluation on the static characteristics of the shaft and the identification of the dynamic characteristics for an aerostatic radial porous bearing. In recent years, the use of the structural ceramic has grown significantly for design and manufacturing of mechanical parts. The use of ceramic porous as restrictor in aerostatic bearings can improve its perform related to the wear, thermal stability, stiffness and load capacity allowing that spindles work with precision at speed above 20.000 rpm with small clearances (40 microns). In order to investigate this kind of bearing were developed static analyses to obtain the stiffness of the support shaft, as well as aerostatic porous bearing and dynamic identification for experimental set-up. The static analysis indicated stiffness of shaft and aerostatic porous bearing of 20.1 kN/mm and 2.6 kN/mm, respectively. The dynamic analysis indicated that the first natural frequency of the rotor is close to 1365.9 Hz, which is much higher than the first natural frequency of the aerostatic ceramic porous bearing whose value is 775.0 Hz. One can conclude that geometrical configuration and support conditions choosen allow a robust condition to proceed in experimental tests to obtain dynamic characteristics of the porous bearing.

Este trabalho apresenta o modelo numérico de um banco experimental onde foi feita uma avaliação sobre as características estáticas do eixo e a identificação das características dinâmicas de um mancal aerostático cerâmico poroso. Nos últimos anos, o uso da cerâmica estrutural tem crescido significativamente para a concepção e fabricação de peças mecânicas. O uso da cerâmica porosa como restritor em mancais aerostáticos pode melhorar o seu desempenho relacionado com o desgaste, a estabilidade térmica, a rigidez e capacidade de carga, permitindo que eixos trabalhem com precisão a uma velocidade acima de 20.000 rpm, com pequenas folgas (40 microns). A fim de investigar este tipo de mancal foram desenvolvidas análises estáticas para obter a rigidez do eixo de suporte, assim como do mancal aerostático cerâmico poroso e identificação dinâmica para o banco experimental. As análises estáticas indicaram a rigidez do eixo e do mancal aerostático de 20,1 kN/mm e 2,6 kN/mm, respectivamente. As análises dinâmicas indicaram que a primeira frequência natural do rotor está próximo de 1365,9 Hz, o que é muito mais elevada do que a primeira frequência natural da mancal aerostático cerâmico poroso cujo valor é 775,0 Hz. Pode-se concluir que a configuração geométrica e condições de suporte escolhidos permitem uma condição robusta para prosseguir com os testes experimentais para obter as características dinâmicas do mancal poroso. / This work presents the numerical model of an experimental set-up where it was made an evaluation on the static characteristics of the shaft and the identification of the dynamic characteristics for an aerostatic radial porous bearing. In recent years, the use of the structural ceramic has grown significantly for design and manufacturing of mechanical parts. The use of ceramic porous as restrictor in aerostatic bearings can improve its perform related to the wear, thermal stability, stiffness and load capacity allowing that spindles work with precision at speed above 20.000 rpm with small clearances (40 microns). In order to investigate this kind of bearing were developed static analyses to obtain the stiffness of the support shaft, as well as aerostatic porous bearing and dynamic identification for experimental set-up. The static analysis indicated stiffness of shaft and aerostatic porous bearing of 20.1 kN/mm and 2.6 kN/mm, respectively. The dynamic analysis indicated that the first natural frequency of the rotor is close to 1365.9 Hz, which is much higher than the first natural frequency of the aerostatic ceramic porous bearing whose value is 775.0 Hz. One can conclude that geometrical configuration and support conditions choosen allow a robust condition to proceed in experimental tests to obtain dynamic characteristics of the porous bearing.