Práticas Industriais - Processos de Usinagem por Descarga Elétrica, Eletroquímica, Feixes Eletrônicos e por Laser

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Introdução
Quando tratamos sobre todos os processos de usinagem, é inevitável a comparação entre os processos tradicionais, nos quais a respectiva retirada de material é realizada por cisalhamento ou abrasão, e os considerados novos processos, que estão baseados na aplicação dos princípios eletrofísicos. Os processos tradicionais, necessariamente, apresentam certas limitações para a efetivação da usinagem de materiais considerados duros e também de peças que apresentam algumas formas complexas; já para esses novos processos, a usinabilidade dos materiais depende de forma direta das características básicas, como o ponto de fusão, a condutibilidade térmica, a resistividade elétrica e o peso atômico.
Quando analisamos a aplicação dos chamados processos de usinagem por descargas elétricas ( Electrical Discharge Machinig – EDM ), também chamado processo por eletroerosão, percebemos que ele tem uma utilização muito disseminada para a consequente usinagem de materiais classificados com uma dureza elevada, caracterizados por apresentarem complexas e difíceis execuções de usinagem quando comparados aos chamados processos tradicionais e convencionais para usinar. No mesmo sentido, esse processo de eletroerosão permite a realização de operações que confeccionam peças que possuam especificamente geometrias com características muito complexas e dimensões próprias com valores muito pequenos.
Inicialmente, podemos, então, considerar que o processo de eletroerosão está totalmente baseado na respectiva realização da erosão dos metais, causada por descargas elétricas. Tecnicamente, é importante salientar que, necessariamente, dois condutores com diferença de potencial adequada podem estabelecer e acabar provocando um respectivo arco voltaico quando unidos. Nessa situação, se o respectivo ponto de contato entre os dois condutores existentes for verificado e analisado, encontraremos uma pequena porção de material de forma erodida, que deixará uma pequena cratera.
De forma geral, o processo de eletroerosão envolve a aplicação de uma diferença de potencial com uma corrente contínua entre duas placas consideradas condutoras de eletricidade, chamadas de eletrodo ferramenta e peça. Essas placas apresentam uma distância de separação considerada como muito pequena, sendo observados valores entre 0,012 a 0,050 mm, que podemos denominar fenda de trabalho ou gap. É neste local que ocorrem as respectivas descargas elétricas. Na folga gerada que verificamos precisamente entre peça e ferramenta, ocorre necessariamente a circulação de um fluido dielétrico, que posteriormente se torna eletrolítico na condição de uma forma gasosa.
Cabe ressaltar que, no exato instante da ocorrência da descarga elétrica, a ferramenta e a respectiva peça que está sendo trabalhada não estão em contato direto, em razão do meio dielétrico que os envolve.
Figura 4.1 - Processo EDM
Fonte: Groover (2017, p. 155).
O processo em si ocasiona a consequente remoção de material, em que, para tanto, a respectiva energia térmica gera um canal de plasma entre o cátodo e o anodo, no qual podemos observar temperaturas que variam de 8.000 a 10.000 K.
Mais especificamente, quando iniciamos o processo de eletroerosão, basicamente uma pequena região de descarga elétrica surge com uma considerada potência despendida, em que, efetivamente, por unidade de área, tem a capacidade de chegar até a faixa de 1.000W/m2. Dessa forma, o respectivo fluido é evaporado e, assim, se torna eletrolítico em um meio gasoso, no qual a pressão também acaba, por consequência, elevando da mesma forma, podendo alcançar a faixa de 200 atm.
Com efeito, essa respectiva descarga elétrica dura apenas alguns milionésimos de segundo, sendo esse período denominado TON. Após a ocorrência e quando do final da descarga elétrica, ocorre o início, por alguns milionésimos de segundo o TOFF, em que ocorre a respectiva imersão dos gases considerados eletrolíticos.
De acordo com estudos de Raslan (2012), podemos verificar que, necessariamente, os locais onde está alojado o gás são, então, completados por um fluido dielétrico, em uma temperatura considerada menor que a respectiva região em que está sendo usinada. Desse modo, o choque térmico ocasionará uma microexplosão e a consequente desagregação das partículas fundidas da peça, estabelecendo, com isso, a desejada usinagem.
Ao analisarmos os estudos realizados por Bralla (2006), identificamos que o processo de eletroerosão está caracterizado pela realização das atividades a partir de uma série de descargas elétricas que, quando em contato com um material condutor, provoca uma respectiva erosão na peça usinada. Essa ferramenta é considerada o cátodo, e o material usinado, o ânodo, em que as descargas passam em uma taxa superior a 20 mil vezes por segundo.
Em uma situação bem definida, basicamente, a execução do processo de eletroerosão estabelece um ponto de limite para o processo, no qual, nessa situação, só poderão ser operacionalizadas peças que sejam confeccionadas em materiais que apresentem a característica de condutores de eletricidade, podendo, assim, ser eletroerodidos.
Czelusnak (2019) demonstra a predileção em relação aos materiais que são utilizados como eletrodos, como o cobre, escolhido pelo fato de apresentar alta condutividade elétrica e térmica, assim como a grafita, por suas propriedades térmicas.
Ainda que o fenômeno que embasa a realização da operação de eletroerosão não seja considerado novo, uma vez que é realizado desde a descoberta da eletricidade, a efetiva aplicação de usinagem por eletroerosão começou a ser aplicada apenas na década de 1940, com o objetivo inicial de realizar a respectiva recuperação de peças que continham ferramentas quebradas em seu interior, tais como machos, brocas e alargadores.
Os trabalhos de Simao (2003) estabelecem, conforme podemos analisar, que o processo de eletroerosão oferece grandes possibilidades de aplicação na área de usinagem de peças com geometria complexa e alta dureza, como moldes e matrizes, setores automotivo, aeroespacial, médico, ótico, de joalheria, dental, de ferramentas, de prototipagem e de componentes cirúrgicos. Observe a  Figura 4.2, a seguir.
Figura 4.2 - Produtos processo EDM: (a) Bloco único (b) Matriz bipartida
Fonte:  Warut Sintapanon / 123RF.
O processo de eletroerosão tem como suporte dois importantes parâmetros para sua realização: a corrente de descarga e a frequência de ocorrência das descargas. Basicamente, à medida que a ferramenta realiza o movimento de penetração no eletrodo de trabalho, ocorre um sobrecorte lateral na faixa de < 0,1 mm.
Em termos de equipamentos, a máquina utilizada para a realização do processo de eletroerosão é identificada conforme a Figura 4.3, a seguir, e seus principais componentes são: o gerador de pulsos, que tem a função de controlar o avanço do eixo (Z), e o cabeçote, que também tem a função de gerar a tensão e a corrente elétrica.
Figura 4.3 - Equipamento EDM
Fonte: Suradeach Seatang / 123RF.
Existe, ainda, um sistema mecânico, composto por uma mesa de trabalho, que realiza os movimentos em relação aos eixos X-Y. Também está localizado aí o servo motor, onde é fixado o eletrodo (ferramenta) no cabeçote. Efetivamente, durante a etapa de usinagem e funcionamento da máquina, o tanque é cheio ou banhado por um fluido dielétrico, que também apresenta um respectivo sistema de controle de vazão.
No mesmo sentido, podemos evidenciar que o sistema dielétrico é então estabelecido e composto pela cuba, que tem a função de reservar o fluido dielétrico. Além disso, também há um sistema de filtragem, garantindo, assim, a qualidade do fluido, bem como a sua durabilidade.
De forma geral, podemos perceber que um elemento considerado comum para todas as máquinas de eletroerosão é a chamada motobomba para o dielétrico, cuja finalidade é promover o estreitamento do canal de descarga e, assim, aumentar a densidade de energia. Basicamente, a bomba tem a capacidade de remover as partículas que foram erodidas na fenda de trabalho, bem como refrigerar tambémo local usinado.
A respectiva operação de lavagem com o fluido dielétrico é considerada muito importante, levando-se em conta os parâmetros não elétricos; além disso, ela tem grande influência na rugosidade superficial junto à densidade de formação de microtrincas, atuando de forma a minimizá-las, conforme podemos observar em estudos realizados por Ho e Newman (2003).
O processo de eletroerosão pode ser realizado por meio de formas básicas operacionais, dentre as quais podemos destacar: a usinagem, por eletroerosão a partir de uma penetração, e a usinagem , por eletroerosão por fio.
O processo de eletroerosão por penetração ocorre basicamente com a utilização de um respectivo eletrodo, que tem a função clara de possibilitar a transferência de sua imagem a uma peça no instante em que ele avança na cavidade que está sofrendo a usinagem. O avanço em questão é realizado em razão das descargas elétricas que ocorrem exatamente entre a peça e o eletrodo, removendo, assim, o material.
De forma prática, o avanço do eletrodo pode ser executado tanto na direção vertical (eixo Z) como na direção horizontal (eixos X e Y).
Nos trabalhos de Arantes e Silva (2003), podemos verificar que a usinagem por eletroerosão por penetração é, geralmente, aplicada na confecção de moldes com cavidades ou de ferramentais com geometria complexa, conforme podemos verificar na Figura 4.4, a seguir.
Figura 4.4 - EDM por penetração: (a) Peças usinadas (b) Processo em execução
Fonte: Phuchit Aunmuang / 123RF.
Já na operação de eletroerosão a fio, existe ainda uma parte dos mesmos princípios que são adotados para a eletroerosão por penetração, porém, nesse processo, necessariamente, há um fio bobinado. Conforme pode ser observado na Figura 4.4, esse fio se desenrola de forma constante durante o processo e, assim, é utilizado como eletrodo-ferramenta. A partir daí, a peça é efetivamente produzida pelo movimento relativo entre o fio e a peça.
Figura 4.5 - Processo de eletroerosão a fio
Fonte: Groover (2017, p. 157).
De forma prática, esse fio é eletricamente carregado, atravessando a peça que está totalmente submersa em um fluido dielétrico, onde são ocasionadas descargas elétricas na região entre o fio e a peça, proporcionando, assim, o consequente corte do material. Pode ser observado, nesse processo, um movimento, fruto de uma programação realizada por comando numérico computadorizado (CNC), que permite o respectivo corte de perfis complexos com uma excelente exatidão.
Provavelmente, você já deve ter percebido que o processo de eletroerosão a fio é comumente utilizado em indústrias, para a fabricação de placas para guia e de porta-punções.
Figura 4.6 - EDM por fio: (a) Movimentação dos fios (b) Usinagem da peça
Fonte: Phuchit Aunmuang / 123RF.
Perceba que os diâmetros do fio variam de 0,076 a 0,30 mm, dependendo da largura de corte desejada e que os materiais utilizados para fazer esse fio incluem bronze, cobre, tungstênio e molibdênio. Os fluidos dielétricos incluem água deionizada ou óleo. Assim como na EDM, há um sobrecorte lateral na EDM a fio, que torna esse corte maior do que o diâmetro do fio, como mostra a Figura 4.7. Esse sobrecorte lateral está no intervalo de 0,020 a 0,050 mm. Assim, após as condições de corte terem sido estabelecidas para determinado corte, o sobrecorte lateral permanece bem constante e previsível.
Figura 4.7 - Processo de usinagem EDM por fio
Fonte: Groover (2017, p. 158).
Conforme já referenciamos, o processo de eletroerosão pode ser realizado em qualquer tipo de material que apresente a característica de ser condutor de eletricidade. Dessa forma, o ponto de fusão, assim como o respectivo calor latente de fusão, são considerados propriedades físicas importantes que determinam o volume de material removido por descarga. Nesse sentido, podemos considerar que, quando existir o aumento dessas propriedades, necessariamente, a perspectiva de taxa de remoção diminui. Em resumo, a taxa de remoção do material pode ser evidenciada de forma matemática pela equação abaixo: TRM=4.104.IT1,2,3m���=4.104.���1,2,3
Onde: TRM = Taxa de Remoção do Material (mm3/min), I = Corrente (A) e Tm� = Temperatura de Fusão do Material da Peça (°C).
Outro fator importante que podemos considerar para o processo de usinagem por eletroerosão é a frequência de descarga elétrica (DT), que determina o número de vezes que a corrente elétrica passa de ligada Ton�� para desligada Toff��� em determinado tempo. A frequência, então, é determinada pela equação matemática abaixo:
DT[%]=TonTon+Toff∗100��[%]=������+����∗100
Neste estudo, há dois importantes parâmetros de processo em EDM: a corrente de descarga e a frequência de ocorrência das descargas. À medida que algum desses parâmetros aumenta, a taxa de remoção de metal aumenta também.
Quanto à rugosidade superficial, ela também é afetada pela corrente e pela frequência, como mostra a Figura 4.8. O melhor acabamento superficial é obtido na EDM operando em altas frequências e baixas correntes de descarga. À medida que o eletrodo penetra a peça, ocorre o sobrecorte lateral (overcutting), que, em EDM, é a distância pela qual a cavidade usinada na peça ultrapassa o tamanho da ferramenta em cada lado da mesma, conforme ilustrado na Figura 4.8 (a). Ele é produzido porque as descargas elétricas ocorrem nos lados da ferramenta e também em sua área frontal. O tamanho do sobrecorte lateral é uma função da corrente e da frequência, como mostra a Figura 4.8 (b), e pode equivaler a vários centésimos de milímetros. 
Figura 4.8 - Corrente de descarga e a frequência de ocorrência das descargas: (a) Corrente (b) Frequência
Fonte: Groover (2017, p. 156).
Complementarmente, conforme estudos realizados por Zeilmann (2013), podemos evidenciar que o autor faz uma referência aos respectivos efeitos térmicos gerados durante realização do processo de eletroerosão, os quais permitem algumas modificações mecânicas, metalúrgicas e químicas nas camadas superiores das superfícies usinadas. Nesse sentido, essas camadas são então caracterizadas por alto endurecimento do trabalho, alta tensão de tensão residual e ampla rede de trinca térmica, que tem efeitos prejudiciais na vida de fadiga dos componentes usinados.
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Vamos Praticar
Quando consideramos determinados processos, podemos perceber que o processo de eletroerosão pode ser realizado por meio de duas formas básicas operacionais, em que se destacam a usinagem por eletroerosão, por meio de uma penetração, e a usinagem, por eletroerosão por fio. Assim, aponte a alternativa correta relacionada à operação de usinagem de eletroerosão por fio.
Parte superior do formulário
a) Existência da necessidade de um eletrodo.
b) Processo de transferência de imagem.
c) Processo para a confecção de moldes.
d) Movimento por Comando Numérico Computadorizado (CNC).
e) Processo para a confecção de cavidades.
Parte inferior do formulário
O processo de usinagem por princípios eletroquímicos, a chamada usinagem eletroquímica ( ECM – Electrochemical Machining ), é considerado um processo moderno, baseado na retirada de átomos na peça que está sofrendo usinagem. Basicamente, se constitui de um processo especificado de dissolução eletroquímica controlada da peça que está sendo usinada (ânodo) com a ferramenta a realizar a usinagem (cátodo), em uma célula eletrolítica, durante um processo de eletrólise, que é acelerado por uma passagem forçada de corrente elétrica entre a peça e o eletrodo.
Figura 4.9 - Processo de usinagem eletroquímica
Fonte: Groover (2017, p. 151).
Conforme ilustrado na Figura 4.9, a peça é o ânodo e a ferramenta é o cátodo. O princípio subjacente ao processo é que esse material é desgalvanizado do ânodo (o polo positivo) e depositado no cátodo (o polo negativo) na presença de um banho eletrolítico. A diferença na ECM é que o banho de eletrólito flui rapidamente entre os dois polos e carrega o produto da reação, de modo que ele não se deposita sobre a ferramenta.
Historicamente, podemos considerar que os primeiros trabalhos realizados com a utilização da tecnologiaECM ocorreram na década de 1950, quando a Anocut Engineering Company definiu a respectiva forma de usinar metal anódico, como uma forma de usinagem considerada comercialmente capaz.
Na década de 1990, o processo de ECM surge na indústria como um meio de usinagem, já tendo sido utilizado em diversos setores da indústria, tais como:
· Automotivo.
· Petrolífero.
· Médico.
· Empresas aeroespaciais.
Nesse sentido, podemos, então, considerar o processo uma tecnologia relativamente nova que tem grande aplicação na usinagem, geralmente, de peças consideradas grande dureza e/ou alta resistência ao cisalhamento, por ser um processo em que praticamente não há desgaste da ferramenta (eletrodo) nem geração de calor, atrito ou contato direto na interface peça-ferramenta, o que, dessa forma, preserva as características físicas e as propriedades mecânicas de ambas.
Conforme estudos realizados por Kopeliovich (2013), podemos evidenciar que o autor define que o princípio geral de funcionamento está baseado na eletrólise, que ocorre de forma química, em um processo no qual uma corrente elétrica, considerada contínua, é transmitida por entre dois eletrodos inseridos em uma solução líquida com a característica de ser condutora.
Dessa forma, o processo de usinagem eletroquímica efetua-se através da dissolução anódica de forma controlada na peça em usinagem (ânodo), com a utilização de uma ferramenta (cátodo) em uma célula considerada eletrolítica. Durante a execução, o processo de eletrólise é acelerado por uma passagem considerada força de corrente elétrica na respectiva posição entre a peça e o eletrodo.
De forma resumida, a respectiva quantidade de metal dissolvida, ou seja, que é removida ou depositada pela usinagem, é calculada pelas leis da eletrólise de Faraday, para as quais podemos encontrar algumas definições.
Em uma primeira análise, podemos perceber que a respectiva quantidade de massa dissolvida, que foi removida pela usinagem, pode ser considerada diretamente proporcional à quantidade de eletricidade, conforme descrito a seguir:
m�∝IT��
Posteriormente, podemos evidenciar que a quantidade de diferentes substâncias dissolvidas pela mesma quantidade de eletricidade é, então, proporcional à massa química equivalente das substâncias:
m�∝ε�
Dessa forma:
ε=AZ�=��
Onde
I = Corrente eletrolítica, A
t = Tempo de usinagem, min
E = Massa química equivalente, g
A = Massa atômica
Z = Valência da peça
Efetivamente, durante o processo de usinagem de forma eletroquímica, podemos identificar a utilização de uma corrente contínua com uma alta densidade de 0.5 a 5 A/mm² com baixa tensão de 10 a 30 V. Dessa forma, a corrente de usinagem transita através da solução eletrolítica que preenche totalmente o espaço entre a peça anódica e a ferramenta catódica pré-formatada. Assim, o eletrólito é conduzido a fluir através do espaço entre os eletrodos, considerando-se, para isso, uma velocidade muito elevada, geralmente, maior que 5 m/s, para intensificar a transferência da massa e de carga através da subcamada perto do ânodo.
No processo, o eletrólito tem a função de remover os produtos provenientes da dissolução, em que podemos destacar os hidróxidos do metal, calor e bolhas de gás, geradas no espaço entre os eletrodos.
Ainda de acordo com os estudos de Kopeliovich (2013), a respectiva quantidade considerada máxima de metal permite, então, a dissolução, sem que haja a dependência respectiva da natureza do eletrólito, assim como também não há a dependência da respectiva dureza ou, ainda, outras características específicas do metal, mas que depende, sim, de outras grandezas físicas, as quais podemos citar:
· Densidade da corrente.
· Tempo.
· Massa atômica.
· Valência do metal.
Conforme estudos atuais, as características principais do processo de usinagem eletroquímica podem ser identificadas conforme as seguintes especificações:
I. Em razão do fato de o material ser, então, removido através de uma dissolução anódica, a respectiva taxa de remoção de material não apresenta dependência da dureza ou das propriedades básicas mecânicas do metal da peça em processo de usinagem. Dessa forma, podemos considerar que os materiais eletricamente considerados condutivos apresentam taxas de até 84 mm³/minuto.
II. ECM apresenta dependências em relação à forma e às respectivas dimensões da peça em processo de usinagem, sendo observados valores entre 0,05 mm a 0,3 mm, na utilização de corrente contínua, e valores de 0,02 mm a 0,05 mm, na utilização de corrente considerada pulsante.
III. Em relação à rugosidade superficial, é considerada decrescente, e os respectivos resultados compreendem uma faixa entre 100 e 250 μm.
IV. Não criam as consideradas tensões residuais na peça em processo de usinagem.
V. No que se refere ao consumo de energia no processo, ele é considerado elevado, apresentando valores que variam entre 200 a 600 J/mm3.
O próximo tema de nosso estudo é a Rebarbação Eletroquímica (ECD), do inglês, Electrochemical Deburring . Trata-se de uma adaptação da usinagem eletroquímica, concebida para remover rebarbas ou arredondar cantos vivos em peças metálicas por meio de dissolução anódica. Uma possível configuração para a ECD é exibida na Figura 4.10. O furo na peça, com rebarbas afiadas, é do tipo produzido em uma operação de furação convencional de furo passante. Em continuidade, o eletrodo (ferramenta) é projetado para concentrar a ação de remoção de metal sobre a rebarba. As partes da ferramenta que não estão sendo usadas para usinar são isoladas. O eletrólito flui através do furo para levar as partículas de rebarba. Os princípios de operação da usinagem eletroquímica também se aplicam à rebarbação eletroquímica.
Figura 4.10 - Rebarbação eletroquímica
Fonte: Groover (2017, p. 153).
Você pode perceber que, uma vez que muito menos material é removido na rebarbação eletroquímica, o tempo de ciclo verificado é muito menor. Assim, um tempo de ciclo típico na ECD é menor que um minuto, contudo, esse tempo pode ser maior, se for desejável arredondar os cantos, além de remover a rebarba.
Figura 4.11 - Retificação eletroquímica
Fonte: Groover (2017, p. 154).
A Retificação Eletroquímica (ECG), do inglês Electrochemical Grinding , é uma forma especial de usinagem eletroquímica, na qual um rebolo de retificação com um material aglomerante condutivo é utilizado para aumentar a dissolução anódica da superfície da peça metálica, conforme ilustrado na Figura 4.12. Os abrasivos utilizados na ECG incluem o óxido de alumínio e o diamante. O material aglomerante é o metálico (para abrasivos de diamante) ou a resina aglomerante, impregnada com partículas metálicas para transformá-la em um condutor elétrico (para óxido de alumínio). Os grãos abrasivos salientes do rebolo em contato com a peça estabelecem a distância do gap na ECG. O eletrólito flui através do gap entre os grãos para desempenhar seu papel na eletrólise.
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Quando verificamos as principais características atribuídas ao processo de usinagem eletroquímica, identificamos uma série de benefícios gerados por esse processo, desde questões relacionadas à taxa de remoção e até o acabamento. Com relação aos benefícios identificados, assinale a alternativa correta que faz parte desse benefício.
Parte superior do formulário
a) A taxa de remoção do material é identificada por ser superior a 20 mil vezes por segundo durante o processo.
b) A consequente especificação da ocorrência de um sobrecorte lateral existente e que esteja representativo na faixa de < 0,1 mm.
c) O avanço do eletrodo pode ser executado tanto na direção vertical (eixo Z) como na direção horizontal (eixos X e Y).
d) Quando houver aumento dessas propriedades, necessariamente, a perspectiva de taxa de remoção diminui.
e) A rugosidade superficial obtida é decrescente, de acordo com a taxa de remoção de material. Os resultados alcançados ficam aproximadamente entre 100 e 250 μm.
Parte inferior do formulário
Quando consideramos os aspectos envolvidos no processo de usinagem por feixe de elétrons, percebemos que é utilizadoum respectivo fluxo de elétrons a partir de uma alta velocidade, focalizado na superfície de uma peça, com o objetivo de realizar a remoção do material a partir dos processos de fusão e vaporização.
Figura 4.12 - Usinagem por feixe de elétrons
Fonte: Groover (2017, p. 159).
Dessa forma, especificamente, um canhão de feixe de elétrons gera um fluxo contínuo de elétrons, o qual, então, é acelerado a uma velocidade representativa de cerca de 75% da velocidade da luz, focalizado com o auxílio e por meio de uma lente eletromagnética na superfície da peça.
O processo de usinagem por feixe de elétrons ( Electron Beam Machining – EBM ) teve sua utilização inicial na aplicação de operações de soldagem na indústria do ramo nuclear e aeroespacial. Atualmente, esse processo também é observado para a manufatura de semicondutores, bem como em áreas de microusinagem.
Operacionalmente, os componentes de um processo de EBM considerados principais são devidamente confinados em uma respectiva câmara a vácuo, a qual é evacuada a aproximadamente 10-4 torr.
O filamento utilizado como cátodo e produzido em tungstênio é, então, aquecido a uma temperatura na faixa de 2500 a 3000oC, sendo, nesse momento, emitidos elétrons. Nessa condição, a corrente emitida representa uma faixa que varia entre 20 e 100 mA; no mesmo sentido, a respectiva densidade da corrente correspondente a uma faixa de 5 e 15 A/cm².
Necessariamente, a respectiva corrente da emissão depende do material e também da temperatura representativa do cátodo, além de uma tensão alta que usualmente é aproximadamente especificada em 150kV. Nesse sentido, essa alta tensão acaba ocasionando uma aceleração do fluxo de elétrons na direção da peça.
Após a respectiva aceleração, os elétrons que estão focados pelo campo atravessam um furo no ânodo. Em seguida, o respectivo fluxo de elétrons é então refeito, ocorrendo o consequente foco a partir de um específico sistema eletrônico com lentes ou, ainda, de forma magnética, fazendo com que o fluxo sob controle seja direcionado para a peça.
Dessa forma, os elétrons guardam a velocidade de 228x10³ km/s, que é estabelecida pela tensão de aceleração, até que a peça seja então atingida com uma área definida de aproximadamente 0.25 mm de diâmetro.
Efetivamente, a energia cinética dos elétrons rapidamente se transforma em calor, ocasionando, assim, um significativo aumento da temperatura na peça. Essa temperatura é observada em uma faixa acima do seu ponto de ebulição, causando, com isso, a respectiva remoção de material da peça por evaporação.
Ao considerarmos a respectiva densidade de potência na faixa de 1,55 MWmm², observada no processo de EBM, podemos, então, considerar que qualquer material de engenharia pode ser usinado nesse processo.
Fundamentalmente, a forma com que o feixe focado penetra a peça ainda não é completamente compreendido, e tal falta de informação pode ser atrelada à complexidade do mecanismo envolvido. Porém, existem linhas de estudos que compreendem que a superfície do material é, então, derretida por uma específica combinação de pressão dos elétrons, assim como a tensão superficial. Dessa forma, consideramos que o líquido derretido seja de forma muito rápida ejetado e, então, vaporiza, ocasionando, a partir daí, respectivas taxas de remoção de material na faixa de 10 mm³/min.
Um dos últimos benefícios atribuídos ao processo faz referência a uma alta relação da profundidade da peça usinada pela largura da mesma, sendo essa relação estipulada na faixa de 100:1. Esse fator possibilitou a aplicação do processo para a obtenção de furações, que têm como característica o fato de serem extremamente finas.
Com relação aos parâmetros definidos para o processo, podemos enumerá-los da seguinte forma: o respectivo número de pulsos requerido para, assim, remover um furo de profundidade g:
ne=gge��=���
O tempo de usinagem:
tn=nefp��=����
fp=1tp+t1��=1��+�1
A taxa de furação (mm/min):
Ψ=gfpneΨ=�����
O número de pulsos ne pode ser descrito como uma função da tensão de aceleração Va e da corrente de emissão Ie:
ne=1KIeVa��=1�����
Dessa forma, a taxa de furação e a taxa de remoção volumétrica tornam-se:
Ψ=KgfbIeVaΨ=��������
VRR=π4Kd2bgfbIeVa���=�4���2�������
No caso de um furo de profundidade g e largura L, o tempo para a furação seria:
tm=ηe.Lfb.db��=��.���.��
Assim, a taxa de furação (mm/min) torna-se:
η=KdbfpIeVa�=���������
E a taxa de remoção volumétrica pode ser calculada por:
VRR=Kd2bgfpIeVa���=���2�������
Onde:
gee = Profundidade do furo removido por pulso, mm
g = Profundidade do furo requerido, mm
Fpp = Frequência de pulsos, s-1
Tpp = Tempo de pulso, μs
Tii = Intervalo do pulso, μs
dbb = Diâmetro de contato do feixe com a peça, mm
Vaa = Tensão de aceleração do feixe, kV
Iee = Corrente de emissão do feixe, mA
K = Constante
L = Largura do furo, mm
Em termos de capacidade e tipo de resposta, o processo de EBM pode operar em uma profundidade de corte de até 6,4 mm², podendo também serem executados cortes considerados estreitos (0,025 mm em espessura de 0,025 mm de metal), sendo também obtidos ângulos de furo de 20º a 90º.
A taxa de remoção de material pode alcançar uma faixa de 40 mm³/s e uma taxa de penetração na faixa de 0,25 mm/s, sendo as respectivas tolerâncias encontradas para o processo, aproximadamente, estabelecidas em +/- 10% da profundidade de corte com uma rugosidade superficial estabelecida na casa de 1𝛍m.
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Vamos Praticar
Em relação à operacionalidade, o processo de usinagem por feixe de elétrons utiliza um respectivo fluxo de elétrons a partir de uma alta velocidade, focalizado na respectiva superfície de uma peça. Quanto às questões relacionadas aos parâmetros vinculados à usinagem por feixes de elétrons, assinale a alternativa que indica o parâmetro identificado pela equação:  η=KdbfpIeVa�=���������
Parte superior do formulário
a) Número de pulsos requerido.
b) Taxa de remoção volumétrica.
c) Tempo para a furação.
d) Taxa de furação.
e) Descarga elétrica.
Parte inferior do formulário
Para poder usinar materiais com características de difícil usinabilidade, foram desenvolvidos alguns métodos de usinagem considerados modernos, nos quais a usinagem, de forma convencional, produz necessariamente elevadas forças de corte que, em algumas situações, podem também não ser sustentáveis pela peça.
Nesse sentido, a usinagem por feixe laser ( Laser Beam Machining – LBM ) é considerada uma boa solução, uma vez que está associada a outras propriedades do material, dentre as quais podemos destacar:
· Condutividade térmica e calor específico.
· Temperaturas de fusão e ebulição.
A palavra Laser é a abreviação de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , ou seja, Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação.
De forma funcional, existe um respectivo feixe de luz coerente, o qual está altamente colimado e monocromático, focalizado em um ponto pequeno específico. Nessa situação, podemos evidenciar que altas densidades de potência (106 W/mm²) são obtidas no processo.
Os tipos de lasers utilizados em LBM são os gasosos de dióxido de carbono e de estado sólido (do qual existem vários tipos). Na usinagem a laser, a energia do feixe de luz coerente é concentrada não só opticamente, mas também em termos de tempo. O feixe de luz é pulsado, a fim de que a energia liberada resulte em um impulso contra a superfície da peça, que produz uma combinação de fusão e evaporação, com a retirada do material fundido da superfície em alta velocidade.
Figura 4.13 - Usinagem por feixe de laser
Fonte: Groover (2017, p. 160).
Basicamente, em termos de disponibilidade, podemos evidenciar que o mercado oferece uma expressiva variedade de lasers, classificados por estado-sólido, íon e moleculares, e, em relação, à operação, contínuo e pulsado.
Em termos de utilização, os lasers oferecem muitas aplicações no mercado, desde indústrias do ramo de chapas até o tratamento térmico, processos de revestimento, de fabricação de ligas e de soldagem e a respectiva usinagem.
Tecnicamente, para a efetivação do processo deusinagem, a luz não refletida é então absorvida ocasionando, assim, o aquecimento da superfície da peça que está em processo de usinagem. A partir da quantidade de calor suficiente apresentada, a peça inicia o derretimento e ocorre a consequente evaporação.
Com relação ao tipo de modelagem física presente na usinagem por feixe de laser, podemos considerar a complexidade do processo, que está diretamente associado às perdas existentes por dispersão e reflexão e que ocorrem na superfície usinada.
Da mesma forma, a consequente difusão do calor no material proporciona a mudança de fase, momento em que ocorre o derretimento ou a vaporização. Dependendo da densidade da potência estabelecida e do tempo de interação do feixe, o mecanismo, então, progride de absorção de calor e condução para o derretimento e a vaporização.
Importante ressaltar que existe a recomendação de não utilização de feixes laser de alta intensidade, pois ele acaba formando um considerável plume plasma próximo ou até mesmo na superfície do material, onde também ocorre a consequente redução da eficiência do processo, ocasionada pela absorção e perda de dispersão.
Efetivamente, a usinagem por feixe laser ocorre quando a densidade da potência do feixe for maior que as perdas por condução, convecção e radiação; contudo, para a questão de radiação, ela deve penetrar e também ser absorvida pelo material.
Com relação aos parâmetros operacionais, é possível destacar alguns deles:
Densidade da potência do feixe
Pd=4LpπF2tα2ΔT��=4�����2�2Δ�
Tamanho do diâmetro do ponto de foco dss
ds=Ft�=���
Taxa de usinagem (mm/min)
∅=ClLpEvAbh∅=��������ℎ
Ab=π4(Flα)2��=�4(���)2
∅=4ClLpπEv(Flα)2h∅=4�������(���)2ℎ
Taxa de remoção volumétrica (VRR) (mm³/min)
VRR=ClLpEvh���=������ℎ
Onde:
Pdd = Densidade da potência, W/cm²
Lpp = Potência do laser, W
Fll = Distância focal da lente, cm
ΔTT= Duração do pulso laser, s
α = Divergência do feixe, rad
Cll = Constante dependente do material e da eficiência da conversão
Evv = Energia de vaporização do material, W/mm3
Abb = Área do feixe laser no ponto de foco, mm2
h = Espessura do material, mm
dss = Tamanho do diâmetro do furo, mm
A remoção do material a ser usinado no processo de LBM pode ser realizada por meio de diversos efeitos, como a reflexão, a absorção, a condução da luz e o consequente derretimento e vaporização.
Em termos comportamentais, o material da peça a ser usinada pelo processo de LBM determina a respectiva taxa de remoção de material, tendo a refletibilidade uma dependência direta em relação a:
· Tamanho da onda.
· Propriedades do material.
· Acabamento da superfície.
· Nível de oxidação.
· Temperatura da superfície.
É possível verificar que, com um tamanho de onda específico, quanto maior a refletibilidade observada pelo material, menor será a respectiva taxa de remoção. Genericamente, podemos entender que, para a maioria dos metais, observamos uma reflexão de aproximadamente 90% da radiação incidente, com densidades de potência consideradas baixas.
Operacionalmente, o nível de refletibilidade pode ser, assim, reduzido, produzindo melhora nas condições de usinagem do material. Para tanto, deverá ser considerada a modificação das condições da superfície da peça, em que a respectiva luz que não é refletida é absorvida, ocasionando, assim, a elevação de elétrons a um estado de energia maior.
saiba mais
O processo de LBM apresenta determinadas vantagens e limitações, entre as quais podemos citar:
Vantagens:
· Menor desgaste e quebra da ferramenta.
· Facilidade para acuracidade de furos em relação ao posicionamento.
· Facilidade para confecção de furos pequenos e longos.
· Variedade de materiais duros e difíceis de usinar.
· Usinagem extremamente rápida e tempos de setup reduzidos.
· Furos com ângulos de entrada difíceis.
· Facilidade de automatização, assim como operações on-the-fly para materiais de fino calibre.
· Custo baixo.
Limitações:
· Custo elevado do equipamento.
· Tapers normalmente encontrados na furação direta.
· Furo não passante difícil de ser usinado.
· Limitação em espessura restrita a 50 mm.
· Materiais aderentes devem ser removidos.
Podemos considerar que, em termos de laser utilizado durante o processo, existem vários modelos. Além disso, atualmente, cada vez mais novos modelos despontam no mercado, sendo os mais populares Argônio, Hélio-Cadmio, YAG/Nd, CO2, assim como os novos diodos laser de estado sólido, em que, para o processo de usinagem, o mais comumente utilizado é o YAG/Nd.
reflita
s aplicações do la considerando sua utilização no endurecimento de peças.
Basicamente, podemos considerar e evidenciar a grande importância do processo de usinagem por feixe a laser, assim como a grande versatilidade desse procedimento que, a cada dia, apresenta novas possibilidades de formas de utilização e de áreas de atuação.
praticar
Vamos Praticar
Em um processo de eletroerosão, realizamos a operação em uma peça composta de material AISI / SAE M2. O respectivo processo tem como parâmetros os seguintes dados:
Tensão: 40 - 70 V
Corrente: 50 A
Temperatura de fusão do material da peça: 1625 °C
Ton : 220 𝝁s
Toff : 95 𝝁s
Com os dados referentes ao processo e com as fórmulas de TRM=4.104.IT1,2,3m���=4.104.���1,2,3 e DT[%]=TonTon+Toff∗100��[%]=������+����∗100, calcule os representativos da taxa de remoção do material, assim como a frequência de descarga elétrica da operação.
Feedback: Com os dados disponibilizados no enunciado, inicialmente, realizaremos sua substituição na equação  TRM=4.104.IT1,2,3m���=4.104.���1,2,3; dessa forma, a corrente I = 50 e a temperatura de fusão do material Tm = 1625; assim, teremos TRM=4.104.501625���=4.104.501625, em que podemos, então, calcular e identificar o TRM igual a 1230,76 mm³/min.
Para encontrarmos o valor correspondente à frequência de descarga elétrica, substituiremos os valores especificados no enunciado na fórmula DT[%]=TonTon+Toff∗100��[%]=������+����∗100, obtendo, assim, DT[%]=220220+95∗100��[%]=220220+95∗100. Com isso, podemos obter o valor da frequência de descarga elétrica igual a 69,84%.
indicações
LIVRO
Laser e suas Aplicações em Ciência e Tecnologia
Editora : Livraria da Física
Autor : Vanderlei Salvador Bagnato
ISBN : 9788588325982
Comentário : O livro procura estabelecer uma abordagem sobre o surgimento do laser e suas aplicações. Com uma linguagem cotidiana, o autor demonstra os respectivos avanços da pesquisa sobre aplicações do laser.
WEB
Versatile Compact Laser – Tube 100 (VCL-T100)
Ano : 2017
Comentário : Assim como a rápida evolução do processo de usinagem a laser e sua utilização, os equipamentos e as capacidades produtivas ganham cada vez mais espaço. O vídeo citado busca demonstrar tipos de equipamentos disponibilizados no mercado para a utilização no processo de usinagem a laser.
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conclusão
Conclusão
Nesta unidade, realizamos a análise sobre as especificações de processos de usinagem. Você pôde avaliar e observar as bases operacionais do processo de eletroerosão tanto pelo sistema de penetração quanto por corte a fio, sendo possível compreender toda teoria e as características desse processo. Após entender e avaliar as operações de usinagem por processo eletroquímico e por feixes de elétrons, seguimos para o estudo da operação de usinagem, na qual é utilizado o laser.
Por fim, enfatizamos características importantes de algumas operações, assim como suas respectivas ferramentas e os meios necessários para a realização dessas ações fundamentais na prática industrial.
referências
Referências Bibliográficas
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