Processos Não Tradicionais de Usinagem

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA 
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA 
DISCIPLINA: PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA 
Bibliografia 
 
Benedict, G. F., Nontraditional Manufacturing Processes, Marcel Dekker Inc., NY, 
1987, ISBN 0-8247-7352-7, 381p. 
 
McGeough, J.A., Advanced Methods of Machining, Chapman and Hall,1988. 
 
Metals Handbook, Nontraditional Machining Processes – Machining, 9th ed., vol. 16, 
ASM International, pp. 508-593. 
 
Cruz, C. et al., Introdução à Usinagem Não Tradicional, UFU, 1999, 47p. 
Prof. Louriel Oliveira Vilarinho (Sala1M309) 
E-mail: vilarinho@mecanica.ufu.br (transparências disponíveis via moodle) 
PROCESSOS NÃO-TRADICIONAIS DE USINAGEM 
 Os processos de usinagem convencionais usam o contato físico entre a 
ferramenta e a peça para o arrancamento de cavacos utilizando basicamente dois 
mecanismos: o do cisalhamento e a da abrasão. Apesar de todo o avanço 
tecnológico ocorrido nas últimas décadas, esses processos têm sérias limitações, 
com relação a novos materiais, formas complexas, qualidade superficial e nano-
fabricação. Assim, motivou-se o desenvolvimento dos assim chamados 
processos não tradicionais de usinagem. 
 
 
PROCESSOS 
NÃO- TRADICIONAIS 
DE USINAGEM 
Novos 
Materiais 
Formas Complexas 
Superfícies de 
Qualidade 
Miniaturização 
 Natureza da 
Energia 
Mecanismo Ferramenta Processo Aplicações 
Mecânica 
Cisalhamento 
abrasão 
Erosão 
Geometria 
definida 
PTU 
Operações diversas. 
materiais de fácil 
usinagem. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Materiais da fácil 
usinagem 
Partículas em 
alta velocidade 
AJM 
Corte, Furação, 
Limpeza 
WJM Abrasão e 
Erosão 
Ferramenta 
vibratória e 
abrasivos USM 
 
Materiais 
frágeis, condutores 
ou não. 
Eletroquímica 
 
Corrosão 
eletroquímica 
Eletrodo-ferramenta 
e íons dissociados. 
 
ECM 
Materiais 
condutores 
de difícil 
usinagem. 
Química 
Corrosão 
química 
Reagente 
(Etching) 
CHM Usinagem de 
peças 
delicadas 
Térmica Fusão 
Vaporização 
Descargas 
elétricas 
EDM 
Bombardeio 
de Elétrons EBM Micro- 
usinagem 
nagem Luz intensa LBM 
Corte 
Plasma 
PBM 
 Bombardeio 
 de Íons IBM 
PTU  Processos Tradicionais de Usinagem 
AJM  Abrasive Jet Machining 
WJM  Water Jet Machining 
USM  Ultrasonic Machining 
ECM  Electrochemical Machining 
CHM  Chemical Machining 
EDM  Electrodischarge Machining 
EBM  Electron Beam Machining 
LBM  Laser Beam Machining 
PBM  Plasma Beam Machining 
IBM  Ion Beam Machining 
 
P 
Ñ 
T 
U 
 Cada processo tem seu nicho e dificilmente concorrem entre si. Para fazer um 
competente uso, é necessário que se conheça detalhadamente a natureza da 
usinagem que se pretende realizar. Deve ser levado em conta que: 
 - Os processos não tradicionais não devem competir, via de regra, com os 
processos tradicionais; 
 - Um particular processo adequado a uma situação particular pode não ser 
igualmente eficiente sob outras condições. 
 Para bem selecionar um processo é preciso levar em conta os seguintes 
aspectos: 
 - Materiais a serem usinados; 
 - Forma da peça; 
 - Capacidade do Processo: TRM, Tolerância Dimensional, 
 - Acabamento Superficial e Zona Afetada pelo Calor (ZAC); 
 - Considerações Econômicas (manutenção, consumíveis, ...). 
EXISTEM CRITÉRIOS PRÉ-DEFINIDOS ? 
Ranking dos processos em relação aos materiais. 
Ranking dos processos com 
relação a várias operações 
A = Ótima; B = Boa; C = Fraca; D = Não Aplicável 
*Vale também para WJM 
Capacidade dos processos 
Aspectos econômicos dos processos 
A = Ótima; B = Boa; 
C = Fraca; D = Não Aplicável 
*Vale também para WJM 
USINAGEM POR DESCARGAS ELÉTRICAS OU ELETROEROSÃO- EDM 
 Processo térmico que utiliza descargas elétricas para erodir materiais 
condutores. A forma do eletrodo define a área onde ocorrerá a descarga elétrica e 
desta forma determina a cavidade ou furo resultantes na peça. 
VÍDEO 
ELETROEROSÃO POR PENETRAÇÃO (EDM) 
ELETROEROSÃO A FIO (EDWC) 
EXEMPLOS 
EDWC EDM cavidade 
EDM cavidade 
Plug de tomada 
EDM bocais de injeção 
CARACTERÍSTICAS GERAIS 
Fonte corrente DC pulsada (0.5 a 400 A; 40 a 400 V; 180 a 500 Hz) 
 
Polaridade para desbaste: peça (+) e eletrodo (-) 
 
Gap: 0.012 a 0.25 mm 
 
TRM: 0.001 a 0.1 cm3/h 
 
Acabamento: 0.8 a 3.1 m (máquinas modernas: 0.18 a 0.25 m) 
 
Espessura da camada refundida: 0.0025 a 0.05 mm e HRc = 65 (dura e frágil) 
 
Indicado para materiais duros/frágeis: 
 - 50% Ferramentaria e matrizes 
 - 30% Suportes e fixação/alojamento de ferramentas 
 - 10% Aplicação aeroespacial 
 - 5% Aplicação automotiva (bico injetores) 
 - 5% Outros 
 
Restrição: não se pode usinar materiais não condutores. 
MANÔMETRO 
DIELÉTRICO 
VOLTÍMETRO 
FERRAMENTA 
FILTRO BOMBA 
ALTA PRESSÃO 
ROTÂMETRO 
 
RESERVATÓRIO 
AMPERÍMETRO 
CONTROLE DE 
FREQUÊNCIA 
 
FONTE DE 
CORRENTE 
CONTÍNUA 
RESERVATÓRIO DE 
DECANTAÇÃO 
BOMBA 
PEÇA CUBA 
SERVO MECANISMO 
DE AVANÇO DA 
FERRAMENTA 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
Dielétrico (querosene, hidrocarbonetos, 
água deionizada), devem possuir baixa 
viscosidade e alta resistividade elétrica. 
 - Meio para formação das descargas; 
 - Limpeza dos resíduos da erosão; 
 - Arrefecimento. 
 
Polaridade (TRM x RS) 
 
Eletrodos (Cu, Grafite, fio Cu-W) 
 
RD = desgaste ferramenta 
 desgaste peça 
 
RDGrafite < RDCu 
 
Servo-system (gap  tensão) 
 
Formas de aplicação do dielétrico: 
Sucção - 
Eletrodo 
Injeção - 
Eletrodo 
Injeção - 
Peça 
Sucção - 
Peça 
Jateamento 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
100 V 
35 V 
200 A 
0,1-5 s 1-1000 s 
Tensão 
Corrente 
DIDATICAMENTE 
VÍDEO1 
VÍDEO2 
 P = VI 
 [W] 
Δt1 Δt2 Δt1 T [s] 
P 1 
P 2 
E1 E2 
E3 
PARÂMETROS DO PROCESSO 
Potência (V*I)  TRM; RS; desgaste ferramenta 
Freqüência  TRM; RS 
Gap  TRM; RS; precisão 
Ponto fusão  TRM; RS 
Condut. Elétrica  TRM; RS 
TRMAl > TRMAço 
RSAl > RSAço 
TRM3>TRM1=TRM2 
 RS3=RS1<RS2 
VANTAGENS 
 Não existem forças de corte; 
 Sem rebarbas; 
 Altas relações espessura/diâmetros; 
 Grande precisão; 
 Cavidades complexas produzidas em uma operação; 
 Independe da dureza do material. 
 
 
LIMITAÇÕES 
 Baixa taxa de remoção de material; 
 Existe o desgaste da ferramenta; 
 Usina somente materiais condutores de eletricidade; 
 Produz camada refundida e zona afetada pelo calor; 
 Eletrodos complexos podem requerem grande tempos de fabricação; 
 Baixa flexibilidade. 
(a) Ilustração esquemática do processo de Usinagem Química. Não há forças de corte envolvidas neste 
processo. (b) Estágios de produção de uma cavidade por CM. Note a existência de sobrecorte. 
USINAGEM QUÍMICA- CM 
Seqüência de processamento pro CM (1) Limpeza do blank; 
(2) Aplicação da máscara; (3) Riscar, cortar e retirar da 
máscara as áreas a serem atacadas; (4) Ataque e (5) 
Remoção da máscara e limpeza. 
USINAGEM ELETROQUÍMICA- ECM 
 Processo baseado no princípio da eletrólise para remoção de material, ou 
seja, utiliza a corrosão eletroquímica para usinar materiais condutores de 
eletricidade. 
Retificação Eletroquímica(ECG) 
 
Rebarbação Eletroquímica (ECD) 
VARIAÇÕES 
EXEMPLOS 
CARACTERÍSTICAS GERAIS 
Corrente: 50 a 40,000 A  Densidade de corrente: 8-233 A/cm2 
Tensão: 4 a 30 VDC (cuidado para não gerar descargas elétricas) 
Gap: 0.025 a 0,76 mm 
Velocidade do eletrólito no gap: 15-60 m/s 
Pressão do eletrólito: 69 kPa a 2.7 MPa 
Temperatura do eletrólito: 24 a 65º C 
Vazão do eletrólito: 0.95 l/min para cada 100 A (NaCl) 
Concentração do eletrólito: solução aquosa entre 20-50% 
Avanço: 0,5 a 19 mm/min 
TRM: 1.6 cm3/min para cada 1000 A 
Tolerância: 0.012 a 0.05 mm 
RS: 0.1 a 1.5 m 
Relação comprimento/diâmetro do furo: até 20:1 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
2 2 2H e H
   
  n
n OHMOHnM )()(
Reações Catódicas 
 
Reações Anódicas 
 
 
 A peça é SEMPRE anódica 
A ferramenta (cátodo) não se desgasta 
A cuba deve possuir exaustor (H2) 
Material é removido na forma de precipitado 
Acabamento e integridade superficial são ótimos (retirada de átomo por átomo) 
Não há geração de calor 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
Equipamento praticamente igual ao EDM (mas V é baixo) 
Cuba de exaustão do H2 
Eletrólitos são de 2 classes: - sais inorgânicos 
 - NaCl (barato, muito corrosivo, forma borra, 
 condutividade elétrica ~ constante) 
 - NaNO3(pouco corrosivo, usado p/ Al e Cu, 
 pior acabamento (camada apassivadora) 
 - ácidos ou bases 
 - H2SO4, NaOH (pouca borra, mas condut. 
 elétrica varia com temperatura) 
Eletrólitos têm 3 funções: conduzir, lavar e arrefecer. 
Ferramenta: Cu, latão, bronze, Inox, ligas Cu-W, Cu-Ni e Ti. 
 
 
Servo-system: gap  tensão: 
hFn
VS
v
p
e
f





vf: avanço 
S: área seção transversal 
e: resistividade do eletrólito 
V: tensão 
n: valência do elemento químico 
F: constante de Faraday (96500 C) 
p: densidade do material da peça 
h: gap 
PARÂMETROS DO PROCESSO 
Gap: Pequeno  risco de curto-circuito 
 Grande  Corrente  RS e TRM 
Velocidade eletrólito: Baixa  dissipação de calor e remoção da borra   RS 
 Alta  Cavitação 
Temperatura: Cond. elétrica eletrólito = f(temperatura). Assim, deve-se controlar a 
 temperatura para existir repetibilidade 
pFn
IA
TRM


.


: eficiência do processo 
A: massa atômica 
F: constante de Faraday (96500 C) 
p: densidade do material da peça 
n: valência do elemento químico 
h
SV
I e


V: tensão 
S: área seção transversal 
h: gap 
e: resistividade do eletrólito 
I  TRM 
Reproduz-se o 
negativo da 
ferramenta 
!!!! Demonstrar equações em casa !!!! 
VANTAGENS 
 Grande vida da ferramenta (não há desgaste da ferramenta); 
 Não existem forças de corte; 
 Sem rebarbas; 
 Alto desempenho em termos de integridade e acabamento superficial; 
 Sem tensões residuais. 
 Cavidades complexas produzidas em uma operação (usinagem em um 
único passe); 
 Independe da dureza do material; 
 
 
 
 
LIMITAÇÕES 
 Usina somente materiais condutores de eletricidade; 
 Processo extremamente corrosivo; 
 Demanda grande manutenção; 
 Perigo de ignição do H2; 
 Necessita grande equipamento pois a força de sustentação é alta (9 ton); 
 Não é recomendado para pequenos lotes (alto custo ferramental e lead 
time). 
USINAGEM POR ABRASÃO 
Usinagem por Jato Abrasivo (AJM) 
USINAGEM POR ABRASÃO 
Usinagem por Jato D’Água (WJM) 
Alto 
nível de 
ruído 
VIDEO 
USINAGEM POR ABRASÃO 
Usinagem por Jato D’Água (WJM) 
USINAGEM POR ABRASÃO 
Usinagem por Jato D’Água Abrasivo (AWJM) 
USINAGEM POR ABRASÃO 
Usinagem por Fluxo Abrasivo (AFM) 
USINAGEM POR ULTRASSOM (USM) 
 Processo mecânico de remoção de material usado para erodir cavidades e 
furos em peças duras ou frágeis utilizando ferramentas de forma, movimentos 
mecânicos de alta freqüência e pasta abrasiva. 
VÍDEO 
Usinagem por ultra som - USM Usinagem por ultrasom rotativo - RUM 
1000-8000 rpm 
EXEMPLOS 
Materiais cerâmicos não condutores 
CARACTERÍSTICAS GERAIS 
Potência: 40 a 2400 W 
TRM: 10 mm3/min ou 0.018 mm3/J 
Tolerância: 25 m (CNC até 7 m) 
RS: 0.25 m (mesh 800 – grão = 9 m) a 0.75 m (mesh 300 - grão = 60 m) 
Força de corte: ~5 kgf 
Avanço: 25 m a 25 mm/min 
Amplitude de vibração: 20-60 m 
Vazão do jato abrasivo: 25 l/min 
Concentração por volume: 20-60% 
Relação profundidade/diâmetro do furo: 40:1 
Profundidade < 12 mm, pois reduz a TRM (mas pode chegar até 150 mm) 
Diâmetro máximo da cavidade: 38-50 mm 
RUM: 500 W; 5000 rpm e usa-se PCD 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
O mecanismo de corte ainda não é completamente entendido: 
 - Fratura frágil 
 - Incrustação de grãos 
 - Cavitação-erosão 
 - Ação química do fluido 
 - Riscamento e rolamento (RUM) 
Freqüência de 
oscilação (~20 kHz) 
Desgaste da ferramenta  Ajuste de uma nova freqüência de oscilação 
RESSONÂNCIA 
(máxima amplitude de vibração) 
 Freqüência natural 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
Energia 
elétrica de 
baixa 
freqüência 
(60 Hz) 
Sinal 
elétrico de 
alta 
freqüência 
(20 kHz) 
Movimento 
mecânico 
linear de 
alta 
freqüência 
Oscilação 
do porta-
ferramenta 
(sonotrodo) 
Oscilação 
da 
ferramenta 
Abrasivos 
Fonte Transdutor 
Magnetoestritivo Piezoelétrico Eletroestritivo 
- Pilhas de metais, 
variam dimensões 
quando campo 
magnético é aplicado 
- 2400 W 
- 20-35% eficiência 
(refrigerado) 
- Alfer (Al-Fe), 
Hypernik (50%Fe-
50%Ni) e Permaloy 
(40%Ni-60%Fe) 
- Quartzo, se 
aplicado uma 
tensão gera 
deslocamento 
- Cerâmica LZT, 
varia dimensões 
quando campo 
elétrico é aplicado 
- 900 W 
- 96% eficiência (sem 
refrigeração) 
- Resistência à 
fadiga e ter 
propriedades 
acústicas (Bronze, 
Ti, Inox e Monel) 
- Importante para 
determinação da 
freqüência natural 
do sistema 
- Cilíndrico x cônico 
(amplificador x não- 
amplificador) 
- Material dúctil 
(Inox, Latão, 
Aço comum) 
- B4C, SiC, Al2O3 
- 240-800 mesh 
(0.05-0.009 mm) 
- Servo-mecanismo: 
 - Avanço da ferramenta 
(hidráulico ou pneumático) 
 - Anteriormente: 
 massa-mola. 
PARÂMETROS DO PROCESSO 
(amplitude de vibração) 
VANTAGENS 
 Processo sem rebarbas; 
 Não provoca distorções na peça; 
 Não produz efeito térmico; 
 Cavidades complexas em passe único; 
 Usina materiais não condutores; 
 Superfícies ficam com tensão de compressão (maior resistência a fadiga); 
 Não deixa sulcos direcionais. 
 
 
 
 
LIMITAÇÕES 
 Baixa taxa de remoção de material; 
 Existe o desgaste da ferramenta; 
 Com o desgaste, há a necessidade do ajuste na freqüência; 
 Não é econômico para materiais dúcteis.