Optimization of Al2O3 and ZrO2 machining parameters in green and partially sintered

O processo de usinagem de peças cerâmicas sinterizadas se mostra, na maioria das vezes, inviável devido à sua alta dureza, elevada resistência ao desgaste e baixa tenacidade à fratura, se limitando a polimentos e lapidações. Uma alternativa que vem sendo cada vez mais empregada para a confecção de peças cerâmicas com geometria complexa é a usinagem dos corpos no estado a verde ou parcialmente sinterizados. O processo de usinagem sofre forte interferência das características do material (como resistência mecânica, dureza, densidade aparente), das características da ferramenta de corte (geometria da ponta, granulometria) e parâmetros de operação da máquina (como avanço e rotação da ferramenta, profundidade de corte e lubrificação). A usinagem de cerâmicas a verde ou parcialmente sinterizadas vem sendo amplamente empregada como uma etapa do processamento de peças cerâmicas, com destaque para a produção de isoladores cerâmicos de velas de ignição, e de componentes dentários a partir da usinagem por CAD/CAM de blocos de zircônia parcialmente sinterizados. Neste trabalho estudaram-se as condições de usinagem de peças de alumina, de zircônia, e de compósitos alumina/zircônia, prensadas isostaticamente, a verde ou parcialmente sinterizadas (800 a 1200 °C), empregando-se uma fresadora CNC simples e de baixo custo. Parâmetros como rotação, geometria e granulometria de ferramenta, taxa de avanço, profundidade de corte e lubrificação, pressão de compactação e temperatura empregada na sinterização parcial foram variados empregando-se o método de Taguchi de planejamento de experimentos, de modo a otimizar o processo e avaliar o efeito dos parâmetros envolvidos a partir de um número reduzido de experimentos. A influência destes parâmetros na qualidade da usinagem foi avaliada pela rugosidade da superfície usinada e pela integridade de suas bordas. Foi possível determinar um conjunto de condições relacionadas às características dos corpos cerâmicos e aos parâmetros de usinagem que permitiram obter corpos com integridade de arestas e com baixa rugosidade (Ra). A partir dos resultados pode- se confeccionar diferentes peças de geometrias complexas, com destaque para rotores de bombas rotativas.The machining process of sintered ceramic parts proves, in most cases, unfeasible due to its high hardness, high wear resistance and low fracture toughness, limited to polishing and lapping. An alternative that is being increasingly used for the manufacture of ceramic pieces with complex geometry is the machining of the bodies in the green state or partially sintered. The machining process is strongly affected by material characteristics (such as mechanical strength, hardness, apparent density), cutting tool characteristics (geometry and granulometry) and machine operating parameters (such as tool feed and rotation, depth cutting and lubrication). The machining of green or partially sintered ceramics has been widely used as a stage for the processing of ceramic parts, with emphasis on the production of ceramic spark plug insulators, and dental components from the machining by CAD / CAM of partially sintered zirconia blocks. In this work, we studied the machining conditions of alumina, zirconia, and alumina / zirconia composites, isostatically pressed, in a green condition or partially sintered (800 to 1200 °C), using a simple and low-cost CNC milling machine. Parameters such as tool rotation, geometry and granulometry, feed rate, depth of cut and lubrication, compaction pressure and temperature used in partial sintering were varied using the Taguchi method of design of experiments, in order to optimize the process and evaluate the effect of the parameters involved from a reduced number of experiments. The influence of these parameters on the machining quality was evaluated by the roughness of the machined surface and the integrity of its edges. It was possible to determine a set of conditions related to the characteristics of the ceramic bodies and the machining parameters that allowed to obtain bodies with edge integrity and low roughness (Ra). From the results, different components of complex geometries can be made, with emphasis on rotary pump rotors