Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

O objetivo principal desse trabalho é investigar a aplicação de cerâmica á base de Zirconia em ferramentas de corte na usinagem de aço temperado (VND) utilizando um torno de ultraprecisão. Foram analisados dois tipos de composições de cerâmicas com estrutura cristalina diferentes, sendo elas: monoclínica e tetragonal. A diferença destas estruturas é devido à adição de Ytria. A fase monoclínica não contém Ytria em sua composição, enquanto, a fase tetragonal é obtida com Ytria (\'Y IND.3\') (chamada zirconia parcialmente estabilizada com Ytria). A fase tetragonal apresenta uma resistência elevada ao impacto junto com alta dureza (1800 kgf/\'MM POT.2\') quando comparada com a fase monoclínica que apresenta alta dureza mas menor tenacidade. Devido a este fato, esses materiais têm chamado à atenção dos pesquisadores para a usinagem de aços endurecidos. A geração de superfície é influenciada por diversos fatores, sendo eles: material peça, condições de corte, erros macro geométrico, erros de micro geometricos e do estado da aresta da ferramenta. Na usinagem de ultraprecisão a alta rigidez e vibração/trepidação máquina ferramenta é usada para evitar erros de micro geometria e macro geometria que conseqüentemente são transferidos para superfície da peça. Neste trabalho, devido ao fato de se usar um torno de ultraprecisão é possível afirmar que o perfil da rugosidade é gerado pela replicação do perfil da aresta da ferramenta de corte para a superfície da peça. A rugosidade da superfície foi medida com um perfilometro óptico com resolução de 0,1 nm. Os resultados mostraram que a rugosidade da superfície obtida após os testes de usinagem com as ferramantas de cerâmicas chegou á valores em torno de 0,140 microns, o que equivale ao acabamento com processo de retificação. Outro aspecto importante refere-se ao desgaste das ferramentas que, conseqüentemente, tem uma grande influência nos resultados obtidos. As ferramentas de corte foram analisadas antes e depois da usinagem por microscópio eletrônico de varredura. Verificou-se que as ferramentas de corte na fase tetragonal apresentaram desgaste do tipo cratera na aresta da ferramenta enquanto a aresta da ferramenta monoclínica apresentou desgaste do tipo lascamento. / The main objective of this work is to investigate the application of a ceramic composite of Alumina-Zirconia cutting tools inserts in the machining of hardened steel (VND) in an ultraprecision lathe. Two different ceramic compositions with different crystalline structure were tested, to know: monoclinic and tetragonal. The difference in these structures is due the addition of Yttrium. The monoclinic phase has no Yttrium in its composition while the tetragonal phase is obtained with Ytrium (\'Y IND.3\') (named partially stabilized zirconium). The tetragonal phase presents a high impact toughness along with high hardness (1800 kgf/\'MM POT.2\') when compared to the monoclinic phase which presents high hardness but lower toughness. Due to this fact, these materials have draw attention of researchers in the field of machining of hardened steels. The surface generation is influenced by several factors, to know: workpiece material, cutting conditions, macro geometry errors, micro geometry errors and the sharpness of the cutting edge. In ultraprecision machining, a high stiffness and chatter/vibration free machine tool is used in order to avoid common macro and micro geometry errors replicated into the workpiece surface. In this case, it is possible to assert that the roughness profile is generated by the replication of the cutting tool edge profile to the workpiece surface. The surface roughness was measured by an optical profiler with resolution of 0,1 nm. The results showed that the surface roughness obtained after machining tests with these ceramic inserts were in the range of 0,140 micrometers, which is in the same range of roughness obtained by the grinding process. Another important aspect refers to the wear of the ceramic inserts which has direct influence in the performance as a cutting tool material. The cutting inserts were evaluated before and after machining by scanning electron microscope. It was found that the tetragonal phase cutting tools presented crater wear on the rake face while the monoclinic phase presented cutting edge chipping as the main main type of wear.

Neste trabalho, diferentes tipos de microestruturas foram geradas por torneamento com ferramenta de diamante de ponta única e microendentação para serem replicadas através da prensagem a quente. Testes foram realizados para ser avaliada a geração destas microestruturas por dois métodos distintos: microdeformação e microusinagem, planejados para observar a replicação gerada por marca de endentação Vickers (piramidal) e, remoção de material (torneamento com ferramenta de diamante de ponta única). Uma revisão no processo de manufatura aplicada para a replicação de microestruturas é apresentada. Os materiais usados como molde e réplica foram o cobre eletrolítico e o polimetilmetacrilato (PMMA), respectivamente. Inicialmente, a usinabilidade do cobre eletrolítico foi avaliada sob diferentes condições de corte, a fim de determinar parâmetros apropriados de torneamento para obter um fino revestimento de superfície final (rugosidade). Observou-se que para avanços (f) de 10 mícrons por revolução e profundidade de corte (ap) de 5 mícrons, a superfície apresentou um baixo valor de rugosidade, isto é, 2,81 nm para rugosidade média (Ra) e 13,4 nm para rugosidade teórica (Rt). Além disso, observou-se que a microestrutura do material mostrou-se de fundamental papel na rugosidade, por conta da recuperação elástica dos grãos devido a anisotropia da estrutura policristalina do cobre. As microestruturas geradas para a replicagem foram: a) lente esférica, b) perfil senoidal e sulcos concêntricos. Os resultados mostraram que é viável a reprodução, com boa conformidade das microestruturas, por meio de prensagem a quente. Observou-se que as bordas e as superfícies finas com rugosidade em torno de 10 nm rms foram bem replicadas. / In this work, different types of microstructures were generated by single point diamond turning and microindentation for will replicated through the hot embossing. Tests were carried to evaluate the generation these microstructures by two distinct methods: micro-deformation and micro-machining, planned to observe the replication of the mark generated by the Vickers indenter (Pyramidal) and the latter by material removal (single point diamond turning). A review on several manufacturing processes applied to replication of microfeatures, is presented. The materials used as mould and replication workpiece were electroless copper and polymethylmethacrylate (PMMA), respectively. Initially, the machinability of electroless copper was evaluated under different cutting conditions to determinate appropriate turning parameters to obtain very fine surface finish (roughness). It was observed that for f = 10 microns of revolution (feed rate) and ap = 5 microns (depth of cut), the surface presented the roughness’ lowest value, i.e., 2,81 nm to medium roughness (Ra) and 13,4 nm to theoretical roughness (Rt). Moreover, it was observed that the microstructure of the material plays a fundamental role on roughness, because of the elastic recovery of grains due to the anisotropy of the polycrystalline structure of copper. The microfeatures generated were the following: a) spherical lens, b) sinusoidal profile and concentrical grooves. The results showed that it is feasible to reproduce, with good agreement, the microfeatures by means of hot embossing. It was observed that thin edges and fine surfaces with roughness around 10 nm rms were well replicated.

Este trabalho apresenta o estudo da usinabilidade do carbeto de tungstênio utilizando ferramenta de ponta única de diamante em máquina-ferramenta de ultraprecisão, em função de suas características de dureza e potencial uso para a fabricação de micromoldes. O carbeto de tungstênio foi submetido a testes de usinagem para a determinação dos parâmetros e condições de corte para a obtenção do regime dúctil. Com base nos resultados experimentais, concluiu-se que, para os avanços da ordem de 1 micrômetro/revolução, a profundidade de corte (AP) não influencia significativamente no resultado de rugosidade, e para avanços da ordem de 3 micrômetros, observou-se a formação de trincas na superfície usinada. Além disso, para profundidades de corte maiores que 2 micrômetros as ferramentas começaram a apresentar lascamento. Para avanços da ordem de 3 micrômetro/revolução a profundidade de corte influencia com grande significância no resultado de rugosidade. O torneamento do carbeto de tungstênio usando ferramenta de diamante mostrou-se uma opção viável à produção de superfícies em termos de qualidade óptica, porém, devido à alta dureza deste material (aproximadamente 4000HV) o torneamento mostrou ser um processo com condições limitadas para a produção em série de componentes em função da baixa taxa de remoção de material permitida. É possível que a retificação possa apresentar taxas de remoção maiores, mesmo assim garantindo a qualidade superficial atingida pelo torneamento, ou ainda, a retificação possa ser usada como um processo no desbaste do carbeto de tungstênio seguido do torneamento de ultraprecisão como a opção viável a produção em série de peças. Portanto, para obtenção de uma superfície de carbeto de tungstênio sem danos e com acabamentos da ordem de 10 nm, a profundidade e avanço não devem ser superiores a 2,00 \'mü\'micrômetros e 1,00 \'mü\'micrômetro/revolução, respectivamente, usando uma ferramenta de diamante nova com ângulo de saída 0 ou - 25 graus e uma máquina-ferramenta de alta precisão. / The single point diamond turning of the Tungsten Carbide is presented. The motivation for this study is the material´s high hardness and potential application for micromolds. A Tungsten Carbide sample was subjected to tests for determination of cutting parameters to achieve the ductile regime of material removal. Based on experimental results it was concluded that for the feedrate of the order of 1 \'mü\'m/revolution, the depth of cut did not affect significantly the surface roughness and for federates of the order of 3 \'mü\'m/revolution, the dept of cut influenced results of roughness greatly. Moreover chipping of the cutting edge occurs for depths of cut of 2 \'mü\'m. The diamond machining of tungsten carbide tool using diamond proved to be a viable option for the production of surfaces in terms of optical quality, but due to the high hardness of this material (approximately 4000HV) showed to be limited for the production of components due to the low material removal rate. It is possible that the precision griding may provide higher material removal rates along with the acceptable surface quality. Therefore, to obtain a damage free surface in tungsten carbide with surface finishe in the order of 10 nm, cutting depth and feedrate should be smaller than 2,00 \'mü\'m and 1,00 \'mü\'m/revolution, respectively, using a new diamond tool with rake angle of 0 or - 25 degrees and precision high stiffness machine tool.

Este trabalho apresenta o estudo da usinabilidade do carbeto de tungstênio utilizando ferramenta de ponta única de diamante em máquina-ferramenta de ultraprecisão, em função de suas características de dureza e potencial uso para a fabricação de micromoldes. O carbeto de tungstênio foi submetido a testes de usinagem para a determinação dos parâmetros e condições de corte para a obtenção do regime dúctil. Com base nos resultados experimentais, concluiu-se que, para os avanços da ordem de 1 micrômetro/revolução, a profundidade de corte (AP) não influencia significativamente no resultado de rugosidade, e para avanços da ordem de 3 micrômetros, observou-se a formação de trincas na superfície usinada. Além disso, para profundidades de corte maiores que 2 micrômetros as ferramentas começaram a apresentar lascamento. Para avanços da ordem de 3 micrômetro/revolução a profundidade de corte influencia com grande significância no resultado de rugosidade. O torneamento do carbeto de tungstênio usando ferramenta de diamante mostrou-se uma opção viável à produção de superfícies em termos de qualidade óptica, porém, devido à alta dureza deste material (aproximadamente 4000HV) o torneamento mostrou ser um processo com condições limitadas para a produção em série de componentes em função da baixa taxa de remoção de material permitida. É possível que a retificação possa apresentar taxas de remoção maiores, mesmo assim garantindo a qualidade superficial atingida pelo torneamento, ou ainda, a retificação possa ser usada como um processo no desbaste do carbeto de tungstênio seguido do torneamento de ultraprecisão como a opção viável a produção em série de peças. Portanto, para obtenção de uma superfície de carbeto de tungstênio sem danos e com acabamentos da ordem de 10 nm, a profundidade e avanço não devem ser superiores a 2,00 \'mü\'micrômetros e 1,00 \'mü\'micrômetro/revolução, respectivamente, usando uma ferramenta de diamante nova com ângulo de saída 0 ou - 25 graus e uma máquina-ferramenta de alta precisão. / The single point diamond turning of the Tungsten Carbide is presented. The motivation for this study is the material´s high hardness and potential application for micromolds. A Tungsten Carbide sample was subjected to tests for determination of cutting parameters to achieve the ductile regime of material removal. Based on experimental results it was concluded that for the feedrate of the order of 1 \'mü\'m/revolution, the depth of cut did not affect significantly the surface roughness and for federates of the order of 3 \'mü\'m/revolution, the dept of cut influenced results of roughness greatly. Moreover chipping of the cutting edge occurs for depths of cut of 2 \'mü\'m. The diamond machining of tungsten carbide tool using diamond proved to be a viable option for the production of surfaces in terms of optical quality, but due to the high hardness of this material (approximately 4000HV) showed to be limited for the production of components due to the low material removal rate. It is possible that the precision griding may provide higher material removal rates along with the acceptable surface quality. Therefore, to obtain a damage free surface in tungsten carbide with surface finishe in the order of 10 nm, cutting depth and feedrate should be smaller than 2,00 \'mü\'m and 1,00 \'mü\'m/revolution, respectively, using a new diamond tool with rake angle of 0 or - 25 degrees and precision high stiffness machine tool.

O objetivo principal desse trabalho é investigar a aplicação de cerâmica á base de Zirconia em ferramentas de corte na usinagem de aço temperado (VND) utilizando um torno de ultraprecisão. Foram analisados dois tipos de composições de cerâmicas com estrutura cristalina diferentes, sendo elas: monoclínica e tetragonal. A diferença destas estruturas é devido à adição de Ytria. A fase monoclínica não contém Ytria em sua composição, enquanto, a fase tetragonal é obtida com Ytria (\'Y IND.3\') (chamada zirconia parcialmente estabilizada com Ytria). A fase tetragonal apresenta uma resistência elevada ao impacto junto com alta dureza (1800 kgf/\'MM POT.2\') quando comparada com a fase monoclínica que apresenta alta dureza mas menor tenacidade. Devido a este fato, esses materiais têm chamado à atenção dos pesquisadores para a usinagem de aços endurecidos. A geração de superfície é influenciada por diversos fatores, sendo eles: material peça, condições de corte, erros macro geométrico, erros de micro geometricos e do estado da aresta da ferramenta. Na usinagem de ultraprecisão a alta rigidez e vibração/trepidação máquina ferramenta é usada para evitar erros de micro geometria e macro geometria que conseqüentemente são transferidos para superfície da peça. Neste trabalho, devido ao fato de se usar um torno de ultraprecisão é possível afirmar que o perfil da rugosidade é gerado pela replicação do perfil da aresta da ferramenta de corte para a superfície da peça. A rugosidade da superfície foi medida com um perfilometro óptico com resolução de 0,1 nm. Os resultados mostraram que a rugosidade da superfície obtida após os testes de usinagem com as ferramantas de cerâmicas chegou á valores em torno de 0,140 microns, o que equivale ao acabamento com processo de retificação. Outro aspecto importante refere-se ao desgaste das ferramentas que, conseqüentemente, tem uma grande influência nos resultados obtidos. As ferramentas de corte foram analisadas antes e depois da usinagem por microscópio eletrônico de varredura. Verificou-se que as ferramentas de corte na fase tetragonal apresentaram desgaste do tipo cratera na aresta da ferramenta enquanto a aresta da ferramenta monoclínica apresentou desgaste do tipo lascamento. / The main objective of this work is to investigate the application of a ceramic composite of Alumina-Zirconia cutting tools inserts in the machining of hardened steel (VND) in an ultraprecision lathe. Two different ceramic compositions with different crystalline structure were tested, to know: monoclinic and tetragonal. The difference in these structures is due the addition of Yttrium. The monoclinic phase has no Yttrium in its composition while the tetragonal phase is obtained with Ytrium (\'Y IND.3\') (named partially stabilized zirconium). The tetragonal phase presents a high impact toughness along with high hardness (1800 kgf/\'MM POT.2\') when compared to the monoclinic phase which presents high hardness but lower toughness. Due to this fact, these materials have draw attention of researchers in the field of machining of hardened steels. The surface generation is influenced by several factors, to know: workpiece material, cutting conditions, macro geometry errors, micro geometry errors and the sharpness of the cutting edge. In ultraprecision machining, a high stiffness and chatter/vibration free machine tool is used in order to avoid common macro and micro geometry errors replicated into the workpiece surface. In this case, it is possible to assert that the roughness profile is generated by the replication of the cutting tool edge profile to the workpiece surface. The surface roughness was measured by an optical profiler with resolution of 0,1 nm. The results showed that the surface roughness obtained after machining tests with these ceramic inserts were in the range of 0,140 micrometers, which is in the same range of roughness obtained by the grinding process. Another important aspect refers to the wear of the ceramic inserts which has direct influence in the performance as a cutting tool material. The cutting inserts were evaluated before and after machining by scanning electron microscope. It was found that the tetragonal phase cutting tools presented crater wear on the rake face while the monoclinic phase presented cutting edge chipping as the main main type of wear.

Neste trabalho, diferentes tipos de microestruturas foram geradas por torneamento com ferramenta de diamante de ponta única e microendentação para serem replicadas através da prensagem a quente. Testes foram realizados para ser avaliada a geração destas microestruturas por dois métodos distintos: microdeformação e microusinagem, planejados para observar a replicação gerada por marca de endentação Vickers (piramidal) e, remoção de material (torneamento com ferramenta de diamante de ponta única). Uma revisão no processo de manufatura aplicada para a replicação de microestruturas é apresentada. Os materiais usados como molde e réplica foram o cobre eletrolítico e o polimetilmetacrilato (PMMA), respectivamente. Inicialmente, a usinabilidade do cobre eletrolítico foi avaliada sob diferentes condições de corte, a fim de determinar parâmetros apropriados de torneamento para obter um fino revestimento de superfície final (rugosidade). Observou-se que para avanços (f) de 10 mícrons por revolução e profundidade de corte (ap) de 5 mícrons, a superfície apresentou um baixo valor de rugosidade, isto é, 2,81 nm para rugosidade média (Ra) e 13,4 nm para rugosidade teórica (Rt). Além disso, observou-se que a microestrutura do material mostrou-se de fundamental papel na rugosidade, por conta da recuperação elástica dos grãos devido a anisotropia da estrutura policristalina do cobre. As microestruturas geradas para a replicagem foram: a) lente esférica, b) perfil senoidal e sulcos concêntricos. Os resultados mostraram que é viável a reprodução, com boa conformidade das microestruturas, por meio de prensagem a quente. Observou-se que as bordas e as superfícies finas com rugosidade em torno de 10 nm rms foram bem replicadas. / In this work, different types of microstructures were generated by single point diamond turning and microindentation for will replicated through the hot embossing. Tests were carried to evaluate the generation these microstructures by two distinct methods: micro-deformation and micro-machining, planned to observe the replication of the mark generated by the Vickers indenter (Pyramidal) and the latter by material removal (single point diamond turning). A review on several manufacturing processes applied to replication of microfeatures, is presented. The materials used as mould and replication workpiece were electroless copper and polymethylmethacrylate (PMMA), respectively. Initially, the machinability of electroless copper was evaluated under different cutting conditions to determinate appropriate turning parameters to obtain very fine surface finish (roughness). It was observed that for f = 10 microns of revolution (feed rate) and ap = 5 microns (depth of cut), the surface presented the roughness’ lowest value, i.e., 2,81 nm to medium roughness (Ra) and 13,4 nm to theoretical roughness (Rt). Moreover, it was observed that the microstructure of the material plays a fundamental role on roughness, because of the elastic recovery of grains due to the anisotropy of the polycrystalline structure of copper. The microfeatures generated were the following: a) spherical lens, b) sinusoidal profile and concentrical grooves. The results showed that it is feasible to reproduce, with good agreement, the microfeatures by means of hot embossing. It was observed that thin edges and fine surfaces with roughness around 10 nm rms were well replicated.

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.

O presente estudo aborda a fronteira da manufatura de ultraprecisão (UP) da zircônia tetragonal policristalina estabilizada com 3 mol% de ítria (3Y-TZP), realizado por meio da lapidorretificação Ud. A crescente demanda por produtos de cerâmicas avançadas com: elevado acabamento e integridade superficial; alta exatidão de forma; e menor custo de fabricação, tem fomentado pesquisas em diversas áreas da nanociência e nanotecnologia (N&N), visando sobrepujar as limitações ou agregando as principais vantagens dos tradicionais processos de retificação, lapidação e polimento. Em decorrência das excepcionais propriedades mecânicas, a cerâmica 3Y-TZP tem sido extensivamente aplicada na indústria. A 3Y-TZP, entretanto, pode apresentar a desestabilização da sua fase tetragonal em diferentes situações e condições, por exemplo, tendo início na própria manufatura, durante sua usinagem, podendo comprometer seu desempenho. Dessa forma, a 3Y-TZP pode ser considerada um material chave para avaliar e qualificar os processos abrasivos que visam padrão ouro de qualidade que, portanto, não devem suscitar a transformação martensítica. Em meio à pluralidade de processos, destaca-se a lapidorretificação Ud. A presente pesquisa estudou a manufatura UP de superfícies planas de zircônia TZ-3Y-E lapidorretificadas com rebolos de SiC de liga epóxi, almejando rugosidade nanométrica e integridade superficial sem danos microestruturais. Discos de TZ-3Y-E foram prensados isostaticamente a 200 MPa e sinterizados a 1400°C por 2 horas. Os discos foram caracterizados por meio de ensaios de: microdureza; perfilometria de contato e óptica; MEV-FEG; espectroscopia Raman; DRX; e microscopia confocal de epi-fluorescência. Os projetos mecânico e eletroeletrônico da Lapidorretificadora Fiocchi foram evoluídos na direção da retificação cerâmica UP. Os resultados demostraram que o projeto evolutivo da lapidorretificadora Fiocchi foi bem sucedido. A execução e controle das etapas de processamento cerâmico foram fundamentais para obter corpos cerâmicos densos e homogêneos, compatíveis com o acabamento aspirado. Os parâmetros de usinagem que se destacaram foram: profundidade de dressagem de 0,1 mm; pressão de lapidorretificação de 100 kPa; 100 rpm do rebolo e porta-peça; e emulsão (1:40) aplicada por MQF. A aspiração dos resíduos sobre o rebolo melhorou em 21,6% o acabamento, todavia a associação de abrasão dois (rebolo) e três corpos (abrasivos soltos) reduziu em 57,15% a rugosidade. O macroefeito foi visível nos rebolos de #800, #600 e #300 dressados com Ud = 1. A menor rugosidade, Ra = 60,63 nm, proveio do rebolo #300 dressado com Ud=5. O menor desvio de planeza, 0,308 μm, foi obtido com o rebolo de #800 e Ud = 3. O processo alcançou condições de plasticidade da zircônia que apontam para o predomínio dos mecanismos de remoção de microcorte e pulverização de material, sem ocorrência de microtrinca. Segundo ensaios de DRX e Espectroscopia Raman, a lapidorretificação Ud não provocou transformação martensítica. Todavia, o rebolo de #300 gerou alargamento assimétrico dos picos tetragonais nas proximidades de 2θ = 35° e 39° e a reversão das intensidades dos picos tetragonais a 40° e 41°. A reversão foi atribuída a mudança do domínio ferroelástico e a reorientação de planos cristalográficos em nível de cristalito. Os estudos sugerem que a usinagem introduziu tensão residual de compressão que pode ter estabilizado a fase romboédrica. Não há relato de processo capaz de alcançar acabamento nanométrico similar com mesmo tamanho e tipo de abrasivo. A lapidorretificação Ud pode substituir o engajamento da retificação, lapidação e polimento de cerâmica avançada. / The present study focuses on the border of ultra-precision (UP) manufacturing of 3 mol% yttria tetragonal zirconia polycrystal (3Y-TZP), carried out by Ud-lap grinding. The increasing demand for advanced ceramic products with: high surface finish and integrity; high form accuracy; and lower manufacturing cost, has encourage research in several areas of nanoscience and nanotechnology (N&N), to overcome the limitations or adding the main advantages of traditional grinding, lapping, and polishing processes. 3Y-TZP ceramics has been extensively applied by industry due to its exceptional mechanical properties. The 3Y-TZP, however, can present destabilization of its tetragonal phase in different situations and conditions. In the beginning of its manufacture, during its machining for instance, which may compromise its performance. Thus, the 3Y-TZP can be considered a key material to evaluate and qualify abrasive processes aiming gold standard quality that, therefore, should not raise the martensitic transformation. In the midst of plurality of processes, it is noteworthy the Ud-lap grinding. This research studied the UP manufacture of flat TZ-3Y-E zirconia surfaces lap ground with epoxy binder SiC grinding wheels, aiming to nanometer roughness and microstructural integrity without damage. Discs of TZ-3Y-E were isostatically pressed at 200 MPa and sintered at 1400 °C for 2 hours. The discs were characterized by tests of: microhardness; contact and optical profilometry; FEG-SEM; Raman spectroscopy; XRD; and confocal epi-fluorescence. Mechanical and electric-electronic designs of Fiocchi lap grinder were developed toward the UP ceramic grinding. Results showed that the developmental design of Fiocchi lap grinder was successful. The accomplishment and control of ceramic processing stages were essential for dense and homogenous ceramic bodies, compatible with the finish aspired. The machining parameters that stood out were: 0.1 mm depth of dressing; 100 kPa lap grinding pressure; 100 rpm grinding wheel and workpiece-holder; and emulsion applied by MQF. Suction of debris on the grinding wheel has improved finishing in 21.6%, however the combination of two-body abrasion (grinding wheel) and three-body abrasion (loose abrasives) decreased roughness in 57.15%. The macroeffect was visible on #800, #600, and #300 dressed with Ud = 1. The best finishing, Ra = 60.63 nm, came from #300 grinding wheel dressed with Ud = 5. The smallest flatness deviation, 0.308 μm, was obtained with the #800 grinding wheel and Ud = 3. The process has achieved zirconia plasticity conditions pointing towards predominance of microcutting and pulverization material removal mechanism without causing microcrack. According to XRD and Raman spectroscopy, the Ud-lap grinding caused no martensitic transformation. However, #300 grinding wheel has generated asymmetric broadening of the tetragonal peaks close to 2θ = 35° e 39° and reversal of the intensities of 40° and 41° tetragonal peaks. The reversal was attributed to ferroelastic switching and reorientation of crystallographic planes into crystallite level. Studies suggest that the machining has introduced compressive residual stress that may have stabilized rhombohedral phase. There is no report of an abrasive process capable of achieving similar nanometric finish with same grit size and type of abrasive. The Ud-lap grinding can replace the engagement of grinding, lapping, and polishing of advanced ceramics.

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.