Ultraprecision single point diamond turning is required to produce parts with sub-nanometer surface roughness and sub-micrometer surface profiles tolerances. These parts have applications in the optics industry, where tight form accuracy is required while achieving high surface finish quality. Generally, parts can be polished to achieve the desired finish, but then the form accuracy can easily be lost in the process rendering the part unusable. Currently, most mid to low spatial frequency surface finish errors are inspected offline. This is done by physically removing the workpiece from the machining fixture and mounting the part in a laser interferometer. This action introduces errors in itself through minute differences in the support conditions of the over constrained part on a machine as compared to the mounting conditions used for part measurement. Once removed, the fixture induced stresses and the part’s internal residual stresses relax and change the shape of the generally thin parts machined in these applications. Thereby, the offline inspection provides an erroneous description of the performance of the machine. This research explores the use of a single, high resolution, capacitance sensor to quickly and qualitatively measure the low to mid spatial frequencies on the workpiece surface, while it is mounted in a fixture on a standard ultraprecision single point diamond turning machine after a standard facing operation. Following initial testing, a strong qualitative correlation exists between the surface profiling on a standard offline system and this online measuring system. Despite environmental effects and the effects of the machine on the measurement system, the capacitive system with some modifications and awareness of its measurement method is a viable option for measuring mid to low spatial frequencies on a workpiece surface mounted on an ultraprecision machine with a resolution of 1nm with an error band of ±5nm with a 20kHz bandwidth. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

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.

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.

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.