Usinagem Não Convencional I

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Professor: William Xavier d’Alcântara
Usinagem Não Convencional I
		Novos materiais e ligas mais resistentes
		Maior dificuldade de usinagem;
 		Inviabiliza o uso da usinagem convencional (por cisalhamento) tanto técnico quanto economicamente
		Tais materiais combinam algumas das seguintes propriedades: alta dureza e fragilidade, pobres propriedades térmicas, alta refratariedade, reatividade química, microestrutura não- homogênea, etc.
	Necessidade da utilização da USINAGEM NÃO CONVENCIONAL
Usinagem não convencional
		A energia é aplicada mais diretamente;
		Não há necessidade, na grande maioria das vezes, de uma ferramenta de corte;
		 Grande uso e evolução nos últimos 50 anos;
 		Se destinam a aplicações específicas, tanto no que diz respeito ao material da peça quanto a forma, dimensões, tolerâncias e acabamento do componente usinado;
		Embora a crescente popularização do CNC tem permitido uma maior flexibilização destes processos;
		Destaque para a usinagem a laser e por eletroerosão.
A figura mostra o grau de exatidão obtido por operações de usinagem ao longo do último século.
Evolução da exatidão em máquinas ferramentas e instrumentos de medição (Tanigushi, 1983).
A Figura abaixo mostra o grau de exatidão obtido
por operações de usinagem ao longo do último século.
Evolução da exatidão obtida por operações de usinagem (Tanigushi, 1983).
Classificação dos processos não convencionais
PROCESSOS MECÂNICOS
O material é removido pela ação abrasiva. 
Empregados quando os processos convencionais apresentam dificuldades associadas à dureza, tenacidade ou fragilidade da peça (materiais cerâmicos, compósitos, etc.).
Principais vantagens: 
			O material da peça não precisa ser condutor elétrico;
 			A operação não provoca danos térmicos.
Usinagem por jato abrasivo
Partículas abrasivas (normalmente óxido de alumínio ou carboneto de silício) são arremessadas contra a peça por meio de um gás sob pressão;
A remoção do material ocorre por lascamento;
utilizada para corte, limpeza, rebarbação, polimento, etc.
 Mais eficiente em materiais duros e frágeis, tais como vidro, silício, tungstênio, cerâmicas, etc.
 Diferenças do jateamento convencional:
			grãos menores (diâmetro médio entre 10 e 50 μm);
			maior controle de impurezas;
			melhor controle do jato
Esquema da usinagem por jato abrasivo (ASM, 1995).
O equipamento trabalha com nitrogênio (N2) ou dióxido de carbono (CO2);
A pressão varia de a 520 a 830 kPa;
Atinge velocidades na faixa de 150 - 300 m/s (Benedict, 1987);
Uma cabine evita o contato do operador com o pó;
Apresenta um dos menores custos dentre os processos não convencionais de usinagem;
O bocal é geralmente feito em metal duro (WC+Co) podendo ser também em safira (mais durável, porém mais caro)
A velocidade de avanço pode alcançar 2 mm/s;
A taxa de remoção de material é de aproximadamente: 
16 mm3/min para o vidro;
variando de 1,6 a 4,1 mm3/min para metais;
cerâmicas duras a taxa de remoção é de 50% da do vidro.
Os principais fatores que afetam a taxa de remoção são:
material da peça;
- vazão do jato abrasivo (desbaste: 10 – 20 g/min e acabamento: 3 - 5 g/min);
tamanho e tipo de abrasivo;
distância entre bocal e peça.
Os tipos de abrasivo mais comumente utilizados são:
• Óxido de alumínio (Al2O3): operações pesadas.
• Carboneto de silício (SiC): operações pesadas em materiais mais duros.
• Carbonato de magnésio: limpeza e gravação.
• Bicarbonato de sódio: limpeza e corte de metais macios.
• Vidro: polimento.
Aplicações típicas da usinagem por jato abrasivo em materiais cerâmicos, plásticos rígidos e metais endurecidos compreendem:
• Corte e furação de pequenas seções;
• Gravação em peças metálicas e plásticas;
• Rebarbação;
• Corte de perfis intrincados em materiais duros e frágeis (espessura inferior a 1,5 mm para aços e 6 mm para vidros).
• Limpeza e remoção de camadas oxidadas.
• Acabamento de componentes eletrônicos.
As principais vantagens da usinagem por jato abrasivo são:
• Boa dissipação do calor gerado pelo gás.
• Corte de materiais frágeis.
• Eficaz para materiais duros.
• O bocal atinge locais de difícil acesso.
O processo apresenta as seguintes desvantagens:
• Baixa taxa de remoção.
• Dispersão do jato.
• Possível alojamento de partículas abrasivas na peça.
• Conicidade em cortes profundos.
Usinagem por jato de água
Emprega um jato de água colimado a alta velocidade (aproximadamente 900 m/s, de acordo com McGeough, 1988);
Em peças não metálicas, utiliza-se o jato de água sem abrasivo;
Para o corte de materiais mais duros e densos (tais como metais, vidros e cerâmicas), acrescenta-se partículas abrasivas à água.
As principais aplicações do jato de água sem abrasivo são:
• Corte de materiais não metálicos (madeira, papel, placas de circuito impresso, etc.).
• Corte de compósitos poliméricos (plástico reforçado com fibras).
• Decapagem de fios.
• Corte de materiais inflamáveis (tecidos) e de alimentos (sem quebrar ou trincar).
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O jato de água com abrasivo permite:
• Corte de metais ferrosos, como aço ferramenta sem resíduos.
• Corte de ligas resistentes ao calor (Inconel).
• Corte de fibras de carbono.
• Remoção de rebarbas em peças de aço usinadas.
Diagrama de um equipamento de jato abrasivo (McGeough, 1988).
Bocais para usinagem por jato de água: 
(a) sem abrasivo (McGeough, 1988) e (b) com abrasivo (Kulekci, 2002)
Velocidades de avanço recomendadas para o corte com jato de água sem abrasivo (Olsen apud Benedict, 1987)
As principais vantagens do corte por jato abrasivo são:
• Forças de usinagem baixas.
• Dispensa pré-furação.
• Não induz alterações térmicas na peça.
• Corte sem partículas suspensas.
• Corte de materiais variados sem modificar o sistema.
• Fácil integração com sistemas automatizados.
• Corte de camadas múltiplas.
• Pequena largura de corte.
Limitações do processo:
• Baixa eficiência no corte de materiais metálicos.
• Acabamento opaco.
• Tolerâncias dimensionais abertas (±0,13 mm).
• Deixa estrias na peça.
• Requer proteção contra ruído e altas pressões.
Usinagem por fluxo abrasivo
Operação de acabamento;
Dois pistões opostos alternadamente extrudam um fluido abrasivo semi-sólido de um cilindro para o outro promovendo a remoção do material da peça;
O equipamento opera a uma pressão de 0,7 a 20 MPa e vazão de 10 a 380 l/min;
O número de ciclos necessário ao acabamento de uma peça varia de três a centenas de ciclos (Benedict, 1987).
Diagrama da usinagem por fluxo abrasivo
(a) fluido abrasivo no cilindro inferior e (b) fluido sendo extrudado através da peça e ferramenta (ASM, 1995)
Esquema da usinagem por fluxo abrasivo (Benedict, 1987).
O fluido abrasivo é composto de um mistura de polímero orgânico com grãos abrasivos;
O polímero é um material similar à borracha com lubrificante;
Baixa vazão e alta viscosidade são recomendadas para remoção mais uniforme (geração de cantos vivos);
Valores de rugosidade em torno de Ra=0,5 μm são obtidos em materiais como alumínio, cerâmicas e ligas de níquel, entretanto, o limite prático é de 0,05 μm;
Tolerâncias dimensionais podem chegar a ±5 μm (Benedict, 1987),
(a) fluido de alta viscosidade (b) fluido de baixa viscosidade
Influência da viscosidade do fluido abrasivo sobre a remoção de material:
Aplicações típicas da usinagem por fluxo abrasivo
• Fabricação de componentes aeronáuticos: substituição do polimento manual de turbinas (9 horas) por fluxo abrasivo (1 hora) seguido de acabamento manual (2 horas);
• Fabricação de componentes cirúrgicos;
• Rebarbação e polimento (injetor de combustível: 30000peças/dia);
• Geração de raios de curvatura em regiões de difícil acesso;
• Acabamento de matrizes para conformação mecânica;
• Acabamento de rotores maciços, discos de turbinas, engrenagens, etc.
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Exemplos de peças usinadas por fluxo abrasivo
Usinagem ultrassônica
Vibração ultrassônica a uma frequência acima de 20 kHz
e amplitudes de 1 a 35 μm;
Usinagem de materiais duros, frágeis e preferencialmente não metálicos;
A ferramenta pode ser rotativa ou estática;
Pressionada contra a peça por um sistema pneumático, por molas ou contrapeso;
Com ferramenta estática uma mistura de abrasivo e água é injetada entre ferramenta e peça;
A cavidade formada é o negativo da ferramenta;
Cavidades grandes são produzidas por trepanação.
A remoção é provocada pelos seguintes fenômenos
• Abrasão pelo impacto direto de partículas abrasivas forçadas contra a peça pela ferramenta;
• Microlascamento causado por abrasivos livres;
• Cavitação.
Aplicações da usinagem ultrassônica com ferramenta estática
• Corte de materiais frágeis e duros com área inferior a 1000 mm2, tais como:
		Cerâmicas, quartzo, diamante e vidro (alta 	eficiência).
		Metais com dureza acima de 40 HRC (média 	eficiência).
		Cobre, chumbo, aços em geral (baixa eficiência).
• Produção de geometrias irregulares e complexas.
• Furação de pequenos diâmetros (Ø 0,1 mm) e furação múltipla.
Sistema para usinagem ultrassônica (McGeough, 1988).
As aplicações da usinagem ultrassônica com ferramenta rotativa
O fresamento de canais;
A furação e retificação;
Materiais não metálicos como vidro, cerâmicas, quartzo, rubi, safira, etc. e alguns compósitos.
O material da ferramenta estática deve ser dúctil, pode ser aço inoxidável, aço prata, aço cromo-níquel ou mesmo latão;
Abrasivos BC (vida de 200 horas), SiC (60 horas) e Al2O3
Granulometria entre 9 e 50 μm (Benedict, 1987);
Diamante é recomendado apenas para a usinagem de peças do mesmo material.
A mistura contém de 30 a 60% em massa de abrasivos em água e é necessária uma vazão mínima de 25 l/min.
Valores típicos de rugosidade e tolerâncias dimensionais encontram-se em torno de Ra=0,7 μm e ±0,025 mm,
Aplicação da mistura: a) por jorro e b) por sucção.
	A taxa de penetração da ferramenta é baixa, em torno de 3,8 mm/min para o vidro, 1,5 mm/min para materiais cerâmicos e 0,25 mm/min para WC.
 	Principais parâmetros do processo que afetam a taxa de remoção são:
		• Amplitude de vibração;
		• Pressão aplicada à peça;
		• Tamanho e material do abrasivo.
Vantagens do processo estático destacam-se
• Independência das propriedades elétricas da peça.
• Processo seguro.
• Geração de calor muito baixa.
• Indução de tensões residuais compressivas (aumento da resistência à fadiga).
• Bom acabamento.
Desvantagens do processo
• Custo de ferramental elevado.
• Necessidade de reposição do abrasivo.
• Baixa taxa de remoção.
• Baixa eficiência contra materiais dúcteis.
PROCESSOS ELÉTRICOS
Processo limitado a materiais condutores elétricos;
 As operações são capazes de produzir peças com geometria complexa em um único passe;
Em muitos casos, a ferramenta não apresenta qualquer desgaste.
Usinagem eletroquímica
Consiste na remoção de material por meio da dissolução anódica em uma célula eletrolítica;
A peça é o anodo e a ferramenta é o catodo;
Descoberto por Faraday no século XIX, mas a primeira patente foi depositada em 1929;
Na década de 1950 é que o processo evoluiu de forma significativa;
O eletrólito é bombeado entre ferramenta e peça enquanto corrente contínua é aplicada sob baixa tensão, dissolvendo o material da peça;
Esquema da célula eletrolítica
Esquema de funcionamento do equipamento de usinagem eletroquímica
O sistema funciona com uma corrente que pode variar de 50 a 40000 A;
É essencial garantir uma densidade de corrente mínima de 0,2 a 0,3 A/mm2 e tensão CC de 30 V;
Distância ferramenta-peça de 0,2 a 1,3 mm.
O eletrólito deve escoar a uma velocidade de 30 - 60 m/s com pressão entre 25 e 60 kPa e temperatura na faixa de 24 – 65ºC
Configuração do catodo (ferramenta) e anodo (peça) no (a) início e (b) final da operação de usinagem eletroquímica.
Praticamente qualquer material que conduza eletricidade pode ser usinado, entretanto, observam-se os seguintes efeitos:
• Microestrutura mais grosseira causa pior acabamento;
• Inclusões, como a grafita, podem causar problemas;
• Variações na composição (camada cementada, por exemplo) podem causar diferenças durante a usinagem;
• A taxa de remoção de material é insensível à dureza da peça, mas não a alterações na microestrutura;
• Limpeza é fundamental ao término da operação;
• A qualidade do acabamento frontal é sempre superior ao lateral (em geral na faixa de Ra=0,1 – 1,5 μm contra 5 μm) e é muito sensível aos parâmetros de usinagem.
trepanação com ferramenta isolada externamente, (b) ferramenta dupla externa, (c) furação cônica, (d) furação escalonada, (e) ferramenta para alargamento interno, (f) ferramenta para produção de nervuras, (g) trepanação com ferramenta de parede dupla e (h) ferramenta de fluxo
contorno de furo profundo, (b) disco compressor, (c) bocal cônico, (d) cápsula com ressaltos, (e) pá de turbina, (f) rasgos em válvula, (g) rasgos espirais e (h) furos irregulares.
Outras operações
Retificação eletroquímica
Processo combina a remoção eletroquímica (90%) com a ação abrasiva (10%);
Emprega um rebolo abrasivo e condutor elétrico como catodo (polo negativo);
Consiste de uma fonte de corrente contínua, um rebolo e um sistema de circulação e aplicação do eletrólito;
O eixo-árvore pode ser disposto vertical ou horizontalmente;
A tensão máxima é de 15 V e a corrente normalmente é de 1000 A, podendo chegar a 3000 A.
Esquema da retificação eletroquímica
Remoção de material nas operações de retificação convencional (esquerda) e eletroquímica (direita).
O abrasivo empregado no rebolo geralmente é o Al2O3 (também SiC e diamante);
Eletrólitos normalmente utilizados são o cloreto de sódio (NaCl) e o nitrato de sódio (NaNO3)
Concentrações de 0,12 a 0,36 kg por litro de água;
Velocidade do rebolo é crítica:
		se for muito alta, a força centrífuga afasta o eletrólito
		se for muito baixa, não há passagem de 	corrente elétrica
A rugosidade da peça varia de Ra = 0,12 – 0,8 μm;
tolerâncias dimensionais em torno de ± 25 μm ou menos;
processo produz superfícies isentas de rebarbas e não há risco de queima da peça.
Esta operação é usada nas seguintes situações
Retificação de materiais de difícil usinabilidade (superligas, WC, etc.);
Peças com dureza superior a 60 HRC;
Peças frágeis ou sensíveis ao calor;
Fabricação de instrumentos cirúrgicos;
Usinagem de peças livres de tensões residuais ou rebarbas
Principais vantagens da retificação eletroquímica
• Não há encruamento da peça;
• Não ocorre queima da peça (peça sem distorções);
• Peça sem rebarbas;
• Dressagem do rebolo menos freqüente que na retificação convencional;
• Vida mais longa do rebolo.
Desvantagens
• Custo de capital superior à retificação convencional;
• Limitada a materiais condutores;
• Ação corrosiva do eletrólito;
• Exige um sistema de filtragem e descarte do eletrólito;
• Competitiva somente para materiais exóticos;
Furação por eletrofluxo e por capilaridade
	Desenvolvidos especificamente para o setor aeronáutico. São empregados para a furação profunda de milhares de pequenos diâmetros (para fins de refrigeração) em ângulos variados em ligas resistentes ao calor.
Esquema da furação por eletrofluxo (ASM, 1995).
Principais vantagens
• Independem da dureza da peça;
• Alta razão entre profundidade do furo e diâmetro;
• Elevado número de furos podem ser feitos simultaneamente;
• Sem alterações metalúrgicas;
• Produção de furos cegos ou interseções;
• Peça sem rebarbas;
• Não há distância mínima entre furos (furação por capilaridade).
Principais limitações
• Os processos são lentos;
• Necessidade de manuseio de produtos ácidos;
• Descarte do resíduo requer cuidados;
• Furos oblíquos são problemáticos.
Furação eletrolítica
	Derivada da usinagem eletroquímica, porém emprega um eletrólito ácido para que o metal removido fique na forma de solução, e não de precipitado (o que poderia obstruir o fluxo de eletrólito e prejudicar a operação). Para isto, utilizam-se eletrodos de titânio
puro (resistente ao ataque do eletrólito ácido) e revestido com uma camada isolante para evitar a remoção de material na região lateral.
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Esquema da usinagem eletrolítica
Exemplos de aplicações do processo
• Furos para refrigeração de pás de turbinas;
• Passagens de óleo;
• Bicos de combustível;
• Furos com profundidade superior a 100 mm;
• Produção de furos sem zona termicamente afetada.
Principais vantagens da furação eletrolítica
• A operação não depende da dureza da peça;
• É possível produzir furos com L/Ø de até 300;
• Um grande número de furos pode ser feito simultaneamente;
• Furos não paralelos podem ser feitos simultaneamente;
• Sem alterações microestruturais na peça;
• Produção de furos curvos.
Desvantagens do processo
• Utilizada somente para metais resistentes a corrosão;
• Ineficaz em materiais refratários;
• Maquinário complexo;
• Processo lento para a geração de um único furo;
• Necessidade de manuseio de ácido;
• Resíduo tóxico.
PROCESSOS TÉRMICOS
Área que apresentou maior crescimento nos últimos anos, particularmente as operações de usinagem a laser e por eletroerosão.
A energia é aplicada na forma de fótons, elétrons, centelhamento, etc.;
Os processos geralmente não são afetados pelas propriedades físicas da peça;
Produzem zonas termicamente afetadas na peça.