Grinding of advanced ceramics using sustainable manufacturing techniques

Existe uma crescente demanda por materiais capazes de atuar em aplicações de alto desempenho, nas quais são exigidas elevada dureza, resistência ao desgaste, estabilidade térmica, resistência química e precisão dimensional. Nesse contexto, as cerâmicas avançadas, como a alumina, têm ganhado destaque em setores estratégicos, incluindo as indústrias mecânica, eletrônica, biomédica, aeroespacial e automotiva. Entretanto, devido à sua elevada dureza e fragilidade, esses materiais apresentam grande dificuldade de usinagem, tornando a retificação um processo essencial para garantir qualidade superficial, integridade da peça e precisão geométrica. Apesar de sua importância, a retificação de cerâmicas avançadas ainda apresenta desafios técnicos, econômicos e ambientais, principalmente relacionados ao desgaste do rebolo diamantado, à geração de defeitos superficiais e ao elevado consumo de fluido de corte no método convencional abundante. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo avaliar diferentes estratégias de lubrirrefrigeração na retificação de alumina com rebolo diamantado, comparando o método convencional, a mínima quantidade de lubrificante (MQL), o MQL com fluido diluído e o MQL diluído associado ao sistema de jato de limpeza do rebolo, denominado wheel cleaning jet (WCJ). Foram analisadas variáveis relacionadas ao desempenho do processo, à integridade superficial, ao desgaste do rebolo e à sustentabilidade, incluindo força tangencial, energia específica, potência de retificação, razão G, desgaste diametral do rebolo, rugosidade, topografia da superfície, microscopia, custo e emissão de CO₂. Os resultados mostraram que a aplicação isolada do MQL diluído pode reduzir a demanda energética e os impactos ambientais, mas compromete o desempenho do rebolo e a qualidade da superfície retificada. Por outro lado, a associação do MQL diluído com o WCJ melhorou a remoção de debris, reduziu o empastamento do rebolo e favoreceu uma condição de corte mais estável. Assim, conclui-se que o uso do WCJ é fundamental para tornar o MQL diluído mais eficiente na retificação de alumina. Essa estratégia apresentou o melhor equilíbrio entre desempenho técnico, preservação do rebolo, integridade superficial, redução de custos e menor impacto ambiental, mostrando-se uma alternativa promissora ao método convencional abundante na retificação de cerâmicas avançadas com rebolo diamantado.

Resumo (inglês)

There is a growing demand for materials capable of operating in high-performance applications requiring high hardness, wear resistance, thermal stability, chemical resistance, and dimensional accuracy. In this context, advanced ceramics, such as alumina, have gained prominence in strategic sectors, including the mechanical, electronics, biomedical, aerospace, and automotive industries. However, owing to their high hardness and brittleness, these materials are difficult to machine, making grinding an essential process for ensuring surface quality, workpiece integrity, and geometric accuracy. Despite its importance, the grinding of advanced ceramics still poses technical, economic, and environmental challenges, particularly those related to diamond grinding wheel wear, the formation of surface defects, and the high consumption of cutting fluid associated with conventional flood cooling. Therefore, this study aimed to evaluate different lubrication and cooling strategies for grinding alumina with a diamond grinding wheel by comparing conventional flood cooling, minimum quantity lubrication (MQL), MQL with diluted cutting fluid, and diluted MQL combined with a wheel cleaning jet (WCJ) system. Variables related to process performance, surface integrity, grinding wheel wear, and sustainability were analyzed, including tangential grinding force, specific grinding energy, grinding power, G-ratio, diametral wheel wear, surface roughness, surface topography, microscopy, costs, and CO₂ emissions. The results showed that diluted MQL applied alone can reduce energy demand and environmental impacts but compromises grinding wheel performance and the quality of the ground surface. In contrast, combining diluted MQL with the WCJ system improved debris removal, reduced wheel loading, and promoted more stable cutting conditions. It was therefore concluded that the WCJ system is essential for improving the effectiveness of diluted MQL in alumina grinding. This strategy provided the best balance among technical performance, grinding wheel preservation, surface integrity, cost reduction, and lower environmental impact, demonstrating its potential as an alternative to conventional flood cooling in the diamond grinding of advanced ceramics.

Palavras-chave

Grinding Diamond wheel Advanced ceramic MQL Sustainability Retificação Rebolo de Diamante Cerâmica avançada MQL Sustentabilidade

Idioma

Inglês

Citação

TALON, Anthony Gaspar. Grinding of advanced ceramics using sustainable manufacturing techniques. 2026. Thesis (Doctor of Mechanical Engineering) – School of Engineering Bauru, São Paulo State University (UNESP), Bauru, 2026.