Usinagem Não Convencional II

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Professor: William Xavier d’Alcântara
Usinagem Não Convencional II
Usinagem por eletroerosão
Observada pela primeira vez em 1768 por Sir Joseph Priestley;
Somente em 1943 B.R. e N.I. Lazarenko deduziram que a energia da descarga elétrica poderia ser controlada e utilizada na usinagem dos materiais;
Na eletroerosão por penetração a remoção se dá por centelhamento;
A ferramenta é usada para produzir uma cavidade na peça;
São imersas em um fluido dielétrico, separadas por uma distância que varia de 0,01 a 0,5 mm;
Pulsos de tensão fazem com que a resistência elétrica do dielétrico seja vencida em pontos isolados;
Os elétrons e íons atingem anodo e catodo, respectivamente, sua energia cinética é transformada em calor produzindo temperaturas de 8000 a 12000ºC;
Um fluxo de calor de até 1017Wm-2 com duração de 0,1 a 2000 μs, o que causa a fusão e evaporação de material nos eletrodos.
Exemplos de peças e ferramentas para eletroerosão por penetração
Diagrama esquemático do equipamento de eletroerosão por penetração
Exemplo de máquina de eletroerosão por penetração
Generalidades do processo
Etapas do processo de remoção de material por centelhamento
Abertura do canal
Expansão do canal
Colapso do canal
	A corrente elétrica de descarga é um parâmetro de extrema importância na qualidade e eficiência da operação. A corrente afeta a rugosidade da peça e o desgaste do eletrodo e é influenciada pela velocidade de avanço, pelas características térmicas do eletrodo e pelas condições na região entre eletrodo e peça (distância e área).
Efeito da corrente no processo de eletroerosão
A frequência de descarga é outro parâmetro operacional de grande relevância.
Influência da frequência de descarga sobre o acabamento
A textura da superfície gerada por eletroerosão é bastante peculiar, formada por pequenas crateras, sem indicação da direção de avanço
Textura de superfície gerada por eletroerosão
O acabamento da peça é influenciado pela corrente e pela duração do pulso, variando entre Ra = 1,6 – 3,2 μm, podendo chegar a Ra = 0,2 μm
Influência do tempo de descarga e corrente sobre rugosidade (Storr, 1999).
Tolerâncias dimensionais de ± 25 μm são obtidas (± 5μm em casos especiais);
O desgaste da ferramenta pode afetar a qualidade dimensional da ferramenta e exigindo, inevitavelmente, a realização de ciclos de desbaste e acabamento.
Desgaste do eletrodo e raio correspondente produzido na peça
Danos térmicos causados pela eletroerosão
Extensão dos danos térmicos na eletroerosão:
zona A – camada fundida; zona B: zona termicamente afetada; zona C: zona de transição (McGeough, 1988).
Principais aplicações da eletroerosão 
• Fabricação de matrizes e moldes;
• Fabricação de fieiras para extrusão e trefilação;
• Texturização de superfícies;
• Fabricação de protótipos;
• Peças com geometrias complexas;
• Peças miniaturizadas;
• Furos com L/Ø < 20 ou com Ø>0,05 mm;
• Rasgos com 0,05 – 0,3 mm de largura.
Possíveis geometrias geradas por eletroerosão por penetração
Possíveis geometrias geradas por eletroerosão por penetração
Eletroerosão a fio
Um fio de cobre, bronze ou latão (com diâmetro entre 0,05 e 0,25mm) assume a função de ferramenta, desenrolando continuamente a uma velocidade máxima de 3 m/min;
Água deionizada deve ser usada como fluido dielétrico obrigatório a fim de inibir a ignição do dielétrico;
Taxas de remoção típicas da eletroerosão a fio são 300 mm²/min para o aço ferramenta ABNT D2 com 50 mm de espessura e 750 mm²/min para alumínio com 150mm de espessura;
 A qualidade do acabamento superficial varia de Ra= 0,04 - 0,25 μm.
Máquina de eletroerosão a fio
Exemplos de peças usinadas por eletroerosão a fio
 Exemplo de peça usinada por eletroerosão a fio
Usinagem por feixe de elétrons
No final do século XVIII, Roentgen observou que quando a trajetória de um feixe de elétrons era subitamente interrompida por um anteparo havia a emissão secundária de raios X;
O feixe de elétrons era capaz de aquecer e fundir o anteparo (Benedict, 1987);
1930 - Utilização do feixe de elétrons em usinagem, usado para produzir furos de abertura em microscópios eletrônicos (Pandey e Shan, 1980);
1950 - O processo foi adaptado para a operação de fresamento de canais.
Elétrons livres são produzidos aquecendo-se um filamento de tungstênio (catodo) a temperaturas entre 2500 e 3000ºC através da passagem de corrente elétrica;
A alta tensão entre catodo e anodo faz com que os elétrons sejam acelerados contra o último a uma velocidade de aproximadamente 60% da velocidade da luz;
O anodo possui um furo que permite a passagem dos elétrons que atingem a peça;
Filtros e lentes são usados para focalizar e direcionar o feixe;
Todo sistema opera a vácuo (1 Pa).
Diagrama da usinagem por feixe de elétrons (McGeough, 1988).
Etapas de remoção pelo feixe de elétrons:
aquecimento e fusão superficiais (b) canal de vapor
(c) vaporização do suporte (d) expulsão de material fundido.
Dano causado pela furação por feixe de elétrons (Kaczmarek, apud McGeough, 1988).
Vantagens da usinagem por feixe de elétrons
• Produção de até 4000 furos/s.
• Sem limitação de propriedades da peça.
• Sem forças de corte (distorções).
• Flexibilidade de parâmetros.
• Alta exatidão e repetibilidade.
• Baixo custo relativo para pequenos furos.
Desvantagens da usinagem por feixe de elétrons:
• Custo de equipamento elevado.
• Tempo improdutivo associado à evacuação da câmara (cerca de 3 minutos por metro cúbico).
• Presença de camada fundida.
• Necessidade de um suporte para a peça.
• Industrialmente ainda inviável para materiais não metálicos ou corte não retilíneo.
Principais aplicações:
• Usinagem de materiais sem restrição de propriedades (dureza, condutividade térmica e elétrica, etc.);
• Furação de precisão (Ø0,1 - 1 mm) em materiais metálicos, especialmente para um elevado número de furos com pequeno diâmetro e profundidade inferior a 10 mm. Exemplos: câmara de combustão de motor a jato em aço Cr-Ni-Co-Mo-W: 3800 furos de Ø0,9 x 1,1 mm por hora; cabeçote para a produção de fibras de vidro em liga de cobalto: 11766 furos de Ø0,8 x 4,3-6,3 mm em 40 minutos (5 furos/s).
• Fabricação de filtros para a indústria de alimentos.
• Vestuário: produção de furos para ventilação em materiais plásticos (5000 furos/s).
• Fabricação de circuitos integrados.
Furos em câmara de combustão de motor a jato produzidos por feixe de elétrons (ASM, 1995).
Usinagem por feixe de íons
A usinagem ocorre em uma câmara de vácuo, onde íons de argônio são arremessados contra a peça;
O equipamento consiste de uma fonte de plasma (que gera os íons), de uma malha responsável por extrair os íons do plasma e arremessá-los contra a peça;
Os elétrons são acelerados do catodo (filamento de tungstênio aquecido) para o anodo por meio de alta tensão (aproximadamente 1000 V) seguindo uma trajetória espiral, a qual aumenta o percurso e, por conseguinte, a ionização;
Os elétrons interagem com átomos de argônio, liberando íons (Ar+);
Os íons são retirados do plasma por uma malha composta de duas ou três lâminas de carbono ou molibdênio perfuradas e então atingem a peça;
O ângulo de incidência pode variar de 0 a 90º (McGeough, 1988).
Aplicações típicas do feixe de íons
• Acabamento de espelhos para aparelhos laser.
• Texturização de superfícies.
• Limpeza em nível atômico.
• Polimento.
• Fresamento de canais com largura de 5 a 200 μm e profundidade de até 1mm.
• Fabricação de microcomponentes.
Exemplos de aplicação da usinagem por feixe de íons
Fabricação de microferramentas (Picard et al., 2003).
Usinagem por Arco Plasma
	Quando aquecido a altas temperaturas, um gás se transforma em plasma, caracterizado pelas seguintes alterações (Pandey e Shan, 1980):
• O número de colisões entre átomos aumenta.
• O gás é ionizado, ou seja, elétrons são removidos das órbitas mais externas (íons e elétrons são formados).
• Estes elétrons produzidos colidem com átomos aumentando a temperatura
destes e, consequentemente, sua energia cinética. Com o decaimento da energia, luz é emitida pelos átomos causando a ionização de novos átomos (novos íons e elétrons são produzidos).
	Este processo foi empregado pela primeira vez em 1955 para o corte de alumínio e aço inoxidável (Benedict, 1987), além de outros metais não ferrosos inviáveis para o oxicorte devido às reações químicas resultantes
Diagrama esquemático do corte a plasma
Arco transferido a temperatura pode atingir 33000º C 
Arco não transferido temperatura
pode chegar a 16000º C.
Características da tocha utilizada em operações de corte (Pandey e Shan,1980):
• Catodo com diâmetro entre 10 e 20 mm e ponta cônica.
• Bocal com diâmetro de 3 a 5 mm e mesmo comprimento.
• Potência: de 10 a 200 kW.
• Vazão do gás: de 20 a 60 L/m.
Arco plasma com água injetada
Arco plasma com ar comprimido
Seção transversal de uma peça em aço inoxidável submetida ao corte por plasma
Influência do sentido de rotação do gás sobre a qualidade do corte a plasma
Exemplos de aplicações de corte por arco plasma:
• Corte de chapas planas (aço inoxidável, ligas de alumínio e de cobre) com espessura de 6 a 25 mm (velocidade de avanço quatro vezes superior a do corte oxiacetilênico).
• Produção de chanfros para soldagem subsequente (10-30x mais rápido do que o corte convencional).
• Auxílio ao torneamento de materiais de difícil usinagem.
• Corte submerso em água (redução de ruído e gases).
Usinagem por Feixe Laser
		A usinagem a laser ocorre quando há interação entre um feixe intenso e coerente de luz monocromática e a peça, causando a remoção do material por vaporização.
		O princípio de funcionamento do equipamento baseia-se em dois espelhos paralelos entre os quais o feixe de luz sofre reflexões múltiplas mantendo a mesma fase. A cavidade entre os dois é preenchida com um meio amplificador (gasoso ou sólido) que garante o crescimento da onda luminosa. O espelho M2 é parcialmente transmissor, permitindo a propagação da luz através de si quando a onda atinge o comprimento adequado.
Princípio de funcionamento do laser
Laser como amplificação de luz
Elementos de um cabeçote para corte a laser
Esquema de funcionamento de um corte a laser
Laser no estado gasoso He-Ne, Ar e CO2
Esquema do laser a gás (McGeough, 1988)
Etapas da remoção pelo feixe laser
Absorção e aquecimento
(b) fusão
c) evaporação
Zona termicamente afetada pelo corte a laser de titânio
Danos térmicos causados por pulsos de longa (direita) e curta (esquerda) duração
Corte a laser tridimensional
Exemplos de aplicação do corte a laser
Aplicações industriais do feixe laser
• Soldagem.
• Tratamento superficial.
• Fratura controlada de componentes eletrônicos.
• Gravação e fratura controlada de materiais frágeis (cerâmicas).
• Ajustagem de componentes eletrônicos.
• Balanceamento.
• Deposição de camadas de materiais resistentes ao desgaste ou oxidação.
PROCESSOS QUÍMICOS
		Os processos químicos são caracterizados pela remoção de material por dissolução química (transformação do material da peça em sal metálico) e apresentam alto volume de produção (alta produtividade). Durante a ação química não há forças de usinagem atuando, o que permite a utilização destes processos para a usinagem de peças delicadas ou extremamente delgadas.
Usinagem química
		A operação se baseia no ataque químico controlado da peça por um reagente ácido ou alcalino. A remoção pode ser parcial (redução de espessura) ou total. Antes da imersão da peça no tanque com o agente responsável pelo ataque, um revestimento é usado para proteger as partes que não devem ser removidas.
Etapas da usinagem química
aplicação da máscara (b) primeiro ataque 
(c) reaplicação da máscara (d) segundo ataque 
(ASM, 1995).
As principais vantagens da usinagem química são:
• Ausência de tensões residuais e rebarbas.
• Produção de formas complexas.
• Simplifica a conformação.
• Produção de superfícies extremamente finas.
• Não afeta a dureza ou tenacidade da peça.
• O tamanho da peça só é limitado pelo tanque.
• Produz bom acabamento e tolerâncias razoáveis.
• Baixo custo de equipamento, ferramental e de manutenção.
Por outro lado, a usinagem química apresenta as seguintes limitações:
• O material é removido em todas as direções.
• Baixa eficiência em cortes muito profundos.
• Dificuldade em produzir raios pequenos
• Bons resultados exigem uma estrutura homogênea.
• Textura depende do tamanho de grão.
• Polimento subseqüente pode ser necessário.
• Ligas de titânio a e b necessitam de reagentes especiais.
• Manuseio de produtos químicos perigosos.
Aplicações típicas:
• Fabricação de componentes estruturais aeroespaciais (fuselagem, dutos para ventilação, tubos de plataformas para lançamento de mísseis, etc.).
• Fabricação de circuitos impressos.
• Produção de paredes finas em peças usinadas, fundidas ou conformadas.
• Remoção de determinados filmes (camadas descarbonizada, refundida) que se formam sobre a superfície de certos materiais.
• Remoção de defeitos superficiais (riscos, falhas).
• Rebarbação (0,03 – 0,13 mm) de peças complexas.
• Gravação.
Exemplos de peças produzidas por usinagem química
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Produção de eixo cônico por usinagem química
Usinagem fotoquímica
	O processo pode ser dividido nas seguintes etapas:
• Preparação da peça (limpeza, lavagem e secagem).
• Aplicação do material fotossensível.
• Preparação da matriz (negativo ou positivo fotográfico).
• Usinagem (exposição à luz ultravioleta, revelação, ataque, limpeza e inspeção).
Etapas da usinagem fotoquímica
 (a) ferramenta negativa (b) ferramenta positiva
 (McGeough, 1988).
Microengrenagens produzidas por usinagem fotoquímica (Sadeghi-Makki et al., 2004)
Vantagens da usinagem fotoquímica
• Não afeta as propriedades físicas e magnéticas da peça.
• Baixo custo de ferramental.
• Tempo curto (horas) entre o fim do projeto e início da produção.
• Sem rebarbas.
• Permite alta flexibilidade no projeto.
Desvantagens da usinagem fotoquímica
• Requer habilidade do operador.
• Cuidados com manuseio de produtos tóxicos e corrosivos.
• Instalação para fotografia.
• Espessura máxima a ser usinada de 1,6 mm.
• Não produz cantos vivos.
As principais aplicações deste processo
• Fabricação de máscaras para tubos de imagem.
• Produção de peças pequenas, finas e complexas para eletrônica.
• Fabricação de circuitos integrados e lâminas para cabeçotes de gravação.
• Discos para encoders e peças para motores elétricos.
• Indústrias gráfica e decorativa.
Exemplos de peças produzidas por usinagem fotoquímica