PROCESSOS_NAO_CONVENCIONAIS_DE_USINAGEM

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Universidade Federal de Minas Gerais
Escola de Engenharia
Departamento de Engenharia Mecânica
PROCESSOS NÃO CONVENCIONAIS DE USINAGEM
Prof. Alexandre Abrão
Belo Horizonte, agosto de 2016
Processos Não Convencionais de Usinagem Prof. Alexandre Abrão
CONTEÚDO
 Página
1. Introdução 3
1.1 Classificação dos processos não convencionais 5
2. Processos mecânicos 7
2.1 Jato abrasivo 7
2.2 Jato de água 13
2.3 Fluxo abrasivo 27
2.4 Usinagem ultrassônica 36
3. Processos elétricos 47
3.1 Usinagem eletroquímica 47
3.2 Outras operações
4. Processos térmicos
4.1 Eletroerosão
4.1.1 Eletroerosão a fio
4.1.2 Retificação por eletroerosão
4.1.3 Texturização
4.2 Feixe de elétrons
4.3 Feixe de íons
4.4 Arco plasma
4.5 Feixe laser
5. Processos químicos
5.1 Usinagem química
5.2 Usinagem fotoquímica
6. Prototipagem rápida
6.1 Estereolitografia
6.2 Deposição de plástico fundido
6.3 Sinterização a laser
6.4 Deposição por adesão
6.5 Deposição de lâminas
6.6 Ferramental rápido e manufatura rápida
7. Referências bibliográficas
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1 INTRODUÇÃO
Os processos de manufatura sempre acompanharam o Homem em sua constante busca por
melhores condições de vida. Há 2 milhões de anos eram utilizadas ferramentas manuais feitas
de ossos, pedras e madeira e há 1 milhão de anos as ferramentas metálicas passaram a ser
usadas. Até o século XVII, as operações eram realizadas manualmente ou utilizando
dispositivos rústicos, como o torno-árvore representado na Figura 1.1.
Figura 1.1: Torno-árvore (McGeough, 1988).
Somente a partir da Revolução Industrial é que surgiram as primeiras máquinas ferramentas:
em 1774, Wilkinson desenvolveu a máquina para mandrilar cilindros de máquinas a vapor e em
1797 Maudsley apresentou o torno com avanço automático para rosquear. Em seguida
surgiram a plaina limadora, furadeira, fresadora (1818) e, no final século XIX, a retificadora.
O desenvolvimento de novos materiais e ligas mais resistentes e, consequentemente, mais
difíceis de se usinar inviabiliza o uso da usinagem convencional (por cisalhamento) tanto do
ponto de vista técnico quanto econômico. Tais materiais combinam algumas das seguintes
propriedades: alta dureza e fragilidade, pobres propriedades térmicas, alta refratariedade,
reatividade química, microestrutura não-homogênea, etc. Dentre os segmentos industriais que
fazem uso de materiais com as características citadas, destacam-se as áreas biomédica e
aeroespacial. A Figura 1.2 mostra o aumento da temperatura do motor de aeronaves ao longo
do século XX (Ezugwu, 2005).
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Figura 1.2: Evolução da temperatura do motor de aeronaves ao longo do século XX (Ezugwu,
2005).
Assim, o termo não convencional (ou não tradicional) se refere ao fato de a energia ser aplicada
em sua forma mais direta, sem a necessidade, na grande maioria das vezes, de uma
ferramenta de corte. Ainda que a ferramenta seja necessária, arestas de corte afiadas não são
um requisto essencial. Tais processos vêm sendo aplicados com sucesso desde a Segunda
Guerra Mundial e, ao contrário dos processos convencionais, os processos não convencionais
se destinam a aplicações específicas, tanto no que diz respeito ao material da peça quanto a
forma, dimensões, tolerâncias e acabamento do componente usinado. Por outro lado, a
crescente popularização do comando numérico computadorizado tem permitido uma maior
flexibilização destes processos, com destaque para a usinagem a laser e por eletroerosão.
A maior parte desses equipamentos é comandada numericamente, o que permite o
monitoramento e controle da operação. Desta forma, o tempo e custo de fabricação são
reduzidos, viabilizando a utilização de tais processos em novos segmentos. A Figura 1.3 mostra
o grau de exatidão obtido por operações de usinagem ao longo do último século.
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Figura 1.3: Evolução da exatidão em máquinas ferramentas e instrumentos de medição
(Tanigushi, 1983).
Entretanto, é importante deixar claro que os processos não convencionais não substituirão os
processos ditos convencionais e que um processo não convencional considerado mais
apropriado para usinar um material sob determinada condição pode não ser igualmente
eficiente no corte do mesmo material sob condição distinta, principalmente no que se refere à
qualidade da superfície usinada e taxa de remoção de material.
1.1 Classificação dos processos não convencionais
A classificação dos processos não convencionais de usinagem é arbitrária e não consensual. A
classificação mais frequentemente utilizada leva em conta a forma de aplicação da energia, que
pode ser mecânica, elétrica, térmica ou química. A Tabela 1.1 mostra os principais processos
não convencionais de usinagem e suas características mais relevantes (Pandey e Shan, 1980),
isto é, o mecanismo responsável pela remoção de material, o meio de transferência e a fonte de
energia. Nota-se que os processos térmicos são os que apresentam maior variabilidade em
termos de meio de transferência e fonte de energia.
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Tabela 1.1: Classificação dos processos não convencionais de usinagem.
Forma de
energia:
Mecânica Elétrica Térmica Química
Processo:
Jato abrasivo
Jato de água
Jato de água
com abrasivo
Fluxo abrasivo
Ultrassom
Eletroquímica
e derivados
Eletroerosão
Feixe elétrons
Feixe íons
Feixe laser
Arco plasma
Química
Fotoquímica
Mecanismo de
remoção:
Erosão
Deslocamento
de íons
Fusão e
vaporização
Ablação
Meio de
transferência:
Partículas a alta
velocidade
Eletrólito
Gás aquecido,
elétrons,
radiação ou
corrente de
íons
Ambiente
reativo
Fonte de
energia:
Pressão
pneumática ou
hidráulica
Corrente
elétrica
Material
ionizado, alta
tensão, luz
amplificada.
Agente
corrosivo
Entretanto, uma tendência que tem sido observada é o desenvolvimento de processos híbridos,
ou seja, a combinação de duas operações de naturezas distintas em um novo processo, como
por exemplo, a usinagem por eletroerosão e a eletroquímica, eletroerosão e usinagem
ultrassônica, ou mesmo a combinação de um processo não convencional com outro
considerado convencional (eletroquímica e retificação,usinagem ultrassônica e fresamento,
arco plasma e torneamento, etc.). 
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2. PROCESSOS MECÂNICOS
Neste grupo de operações o material é removido pela ação abrasiva. Normalmente são
empregados quando os processos convencionais apresentam dificuldades associadas à
dureza, tenacidade ou fragilidade da peça (materiais cerâmicos, compósitos, etc.). Dentre as
principais vantagens deste grupo se destacam o fato de o material da peça não precisar ser
condutor elétrico (o que restringe a utilização de diversas operações não convencionais), a
viabilidade de se usinar materiais frágeis tais como vidro, quartzo e cerâmicas (inexequível para
a maioria das operações convencionais) e a operação não provocar danos térmicos.
2.1 Usinagem por jato abrasivo
Nesta operação partículas abrasivas - normalmente óxido de alumínio (Al2O3) ou carboneto
de silício (SiC) - são arremessadas contra a peça por meio de um gás sob pressão. A
remoção do material ocorre por microlascamento e pode sercontrolada para corte, limpeza,
rebarbação, polimento, etc. A Figura 2.1 representa o processo de remoção de material
(Slikkerveer et al. apud Park et al., 2004): quando um penetrador é pressionada contra a
peça uma zona de deformação plástica se forma logo abaixo da ponta do penetrador devido
à força compressiva. Eventualmente trincas surgem nas direções radial e paralela em
relação à superfície da peça. As trincas laterais (paralelas às superfície) estão associadas ao
mecanismo de remoção de material na usinagem por jato abrasivo.
Figura 2.1: Propagação de microtrincas por indentação
Assim, este processo é mais eficiente em materiais duros e frágeis, tais como vidro, silício,
tugstênio, cerâmicas, etc. Difere do jateamento convencional pelo fato dos grãos serem
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menores (diâmetro médio entre 10 e 50 µm), pelo maior controle de impurezas e do jato. A
Figura 2.2 apresenta um diagrama esquemático da operação.
Figura 2.2: Esquema da usinagem por jato abrasivo (ASM, 1995).
O equipamento trabalha com um gás que pode ser ar (menor custo), nitrogênio (N2), dióxido de
carbono (CO2) ou outro gás inerte pressurizado, seco e livre de contaminantes. A pressão varia
de a 520 a 830 kPa, porém pressões acima de 600 kPa são raramente empregadas porque
provocam o desgaste prematuro do bocal. O gás passa por uma câmara onde é feita a mistura
com os abrasivos. Em seguida a mistura passa por uma válvula liga/desliga e chega ao bocal.
Ao passar pelo bocal o jato atinge velocidades na faixa de 150 - 300 m/s (Benedict, 1987). Uma
cabine evita o contato do operador com o pó. Este equipamento apresenta um dos menores
custos dentre os processos não convencionais de usinagem, muito embora frequentemente
seja controlado manualmente.
O bocal é geralmente feito em metal duro (WC+Co), também podendo ser em safira (mais
durável, porém mais caro). As dimensões da seção do bocal variam de Ø 0,13 a 1,25 mm ou de
 0,08 x 0,5 mm até 0,18 x 3,8 mm. A vida do bocal depende do seu material e do abrasivo
usado: para o metal duro ela pode chegar a 35 horas enquanto o de safira pode durar até 300
horas.
A velocidade de avanço pode alcançar 2 mm/s e a taxa de remoção de material é de
aproximadamente 16 mm3/min para o vidro e varia de 1,6 a 4,1 mm3/min para metais. No caso
de 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
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• 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.
A Figura 2.3 mostra a influência da vazão e do tamanho das partículas abrasivas sobre a taxa
de remoção de material. A taxa de remoção aumenta com a vazão de abrasivo, porém se esta
for muito elevada, há um decréscimo na velocidade dos grãos abrasivos e, consequentemente,
na taxa de remoção de material. Observa-se que para as condições empregadas (corte de
vidro) existe uma vazão ótima em torno de 10 g/min que resulta em taxa de remoção máxima.
Além disso, a taxa de remoção de material aumenta com o tamanho das partículas abrasivas
devido à maior capacidade de microlascamento dos abrasivos com dimensões maiores.
Figura 2.3: Influência da vazão e tamanho do abrasivo sobre a taxa de remoção de material
(ASM, 1995).
O abrasivo não deve ser reutilizado, pois perde a capacidade de corte. Além disso, seu custo é
baixo e os cavacos misturados aos abrasivos podem entupir o bocal. 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
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• vidro: polimento.
A Figura 2.4 mostra a influência da distância bocal-peça sobre a taxa de remoção, que
apresenta uma região ótima. Distâncias muito pequenas causam a redução da taxa de remoção
devido à queda de pressão, enquanto distâncias muito elevadas prejudicam o processo devido
à redução da velocidade do jato. Além disso, quanto maior a distância bocal-peça, maior será a
dispersão do jato, que a partir de 1,6 mm torna-se cônico com inclinação de 7o. 
Figura 2.4: Influência da distância bocal-peça sobre a taxa de remoção de material 
(ASM, 1995).
Via de regra recomenda-se uma distância entre 2 e 15 mm para corte. Distâncias curtas
(menores que 1 mm) são empregadas quando se deseja elevada exatidão (às expensas de
baixa taxa de remoção), ao passo que o aumento da distância provoca a dispersão do jato, o
que é indicado para operações de limpeza (distância entre 5 e 13 mm) e texturização de vidro
(de 25 a 75 mm). 
O processo produz uma superfície granular e opaca com rugosidade Ra entre 0,15 e 1,5 µm,
tolerâncias de ±0,13 mm (típicas) a ±0,05 mm (sob condições especiais) e o raio mínimo é de
2 mm. A influência da distância bocal-peça sobre a dimensão e forma do furo é ilustrada na
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Figura 2.4. Nota-se um aumento do diâmetro médio do furo com a elevação da distância bocal-
peça, acompanhado da elevação do desvio de circularidade.
Figura 2.5: Influência da distância bocal-peça sobre os desvios dimensional e geométrico 
(Pandney e Shan, 1980).
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, plásticas e de vidro (número de chassis).
• 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 e de seções finas
• eficaz para materiais duros
• o bocal atinge locais de difícil acesso
• baixo consumo de energia
• equipamento de baixo custo.
Gás: ar
Pressão: 30 kPa
Abrasivo: Al2O3 (40 µm)
Peça: vidro
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Por outro lado, este processo apresenta as seguintes desvantagens:
• taxa de remoção de material dentre as mais baixas
• inviável para materiais dúcteis
• elevado desgaste do bocal
• dispersão do jato
• possível alojamento de partículas abrasivas na peça
• baixa exatidão (especialmente conicidade em cortes profundos).
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2.2 Usinagem por jato de água
Esta operação emprega um jato de água colimado a alta velocidade como ferramenta cortante.
No caso de peças não metálicas, utiliza-se o jato de água sem abrasivo, entretanto, para o corte
de materiais mais duros e densos (tais como metais, vidros e cerâmicas), deve-se acrescentar
partículas abrasivas à água. No caso específico de materiais compósitos, o jato de água com
abrasivo é dez vezes mais rápidoque o corte convencional.
No início do século XX, trabalhadores de usinas de geração de vapor observaram que
pequenos furos na tubulação de vapor sob alta pressão geravam um jato capaz de cortar
madeira. Entretanto, somente em 1960 Norman Franz patenteou a técnica de produção de uma
jato de água coerente a alta velocidade e em meados de 1980 foi anunciado um sistema para
corte de aço.
Ao atingir a superfície da peça, a velocidade do jato (de até 900 m/s conforme McGeough,
1988) torna-se nula e, por conseguinte, a energia cinética é convertida em pressão hidráulica.
De acordo com Pandney e Shan (1980), nos primeiros milissegundos após o contato inicial a
pressão transiente pode chegar ao triplo da pressão hidrostática, sendo que a remoção de
material ocorrerá onde a pressão do jato exceder a força de ligação dos átomos que compõem
o material da peça.
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)
• corte sem a produção de partículas suspensas em materiais como carvão e rocha.
Por sua vez, o jato de água com abrasivo permite:
• corte de metais ferrosos, como aço ferramenta, sem resíduos
• corte de ligas resistentes ao calor
• corte de compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono e de vidro
• remoção de rebarbas em peças de aço usinadas.
A Figura 2.6 mostra o corte por jato de água com abrasivo de um disco maciço de Inconel (liga
Ni-Cr) para a produção de rotores de turbina (Ø760 x 45 mm) em 48 horas.
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Max 900 m/s
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Pode empilhar material pra cortar tudo junto
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Figura 2.6: Usinagem por jato de água com abrasivo de rotor de turbina (ASM, 1995).
O equipamento consiste de uma unidade hidráulica completa com motor para acionamento da
bomba com potência de 15 a 37 kW, linha de transmissão, bocal e coletor, vide Figura 2.7. A
pressão da bomba hidráulica (20 MPa) é elevada pelo intensificador (Figura 2.8) para até
380 MPa dependendo da razão entre as áreas dos pistões de óleo e de água, enquanto o
acumulador garante a uniformidade de pressão e velocidade do jato graças à compressibilidade
da água (cerca de 12% a 380 MPa). 
Figura 2.7: Diagrama da usinagem por jato abrasivo (McGeough, 1988).
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Dois circuitos: um de óleo e um de água 
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Figura 2.8: Esquema de funcionamento do intensificador (ASM, 1995).
A linha de transmissão é normalmente feita em aço inoxidável (Øext/Øint=5-10) e a válvula
liga/desliga deve apresentar tempo de resposta curto e impedir vazamentos. O coletor deve
conter algum material (esferas de aço, pellets cerâmicos ou água) capaz de absorver a energia
do jato abrasivo. 
Dois aspectos críticos a serem considerados no projeto da bomba e intensificador dizem
respeito à vedação dos elementos que atuam sob alta pressão e ao desgaste por fadiga dos
componentes mecânicos.
A distância entre o bocal e a peça varia de 2 a 25 mm de acordo com o material a ser cortado,
entretanto, a forma e o diâmetro do jato sofrem alterações mínimas dentro desta faixa de
distância. O bocal para o corte sem abrasivo possui um orifício em safira ou diamante sintético
cujo diâmetro mínimo é de 0,075 mm. Embora o bocal de diamante seja de 7 a 10 vezes mais
caro, ele garante uma vida 10 vezes mais longa e não se desgasta durante a limpeza. A Figura
2.9 mostra bocais para as operações: (a) sem abrasivo e (b) com abrasivo.
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(a) corte sem abrasivo (b) corte com abrasivo
Figura 2.9: Bocais para usinagem por jato de água: (a) sem abrasivo (McGeough, 1988) e (b)
com abrasivo (El-Hofy, 2014).
No caso do jato de água com abrasivo, o bocal difere do anterior basicamente por apresentar
uma entrada adicional para o abrasivo e uma câmara para mistura. O diâmetro do orifício varia
de 0,75 a 2,5 mm, de modo a garantir que seja pelo menos 5 vezes o diâmetro do abrasivo. A
potência na saída do bocal varia de 7 a 45 kW. Os principais abrasivos naturais empregados
são a granada [Fe3Al2(SiO4)2)], crisólita [(MgFe)2SiO4] e quartzo (SiO2). Os abrasivos sintéticos
são extremamente agressivos e provocam o desgaste prematuro do bocal (Kulekci, 2002). A
dureza do abrasivo a ser utilizado deve aumentar com a dureza da peça.
De acordo com Kulekci (2002), a natureza turbulenta do processo e o tamanho das partículas
abrasivas dificultam o estudo do fenômeno. Aparentemente, no início as partículas têm
velocidade nula, sendo aceleradas e arremessadas constantemente pelo jato contra as paredes
internas do bocal, até que a direção da velocidade do abrasivo seja paralela à do jato. Além
disso, é possível que após o primeiro impacto os abrasivos sejam reintroduzidos no fluxo,
permitindo cortes profundos. A adição à água de 1% de um polímero de cadeia longa (por
exemplo, óxido de polietileno) auxilia na manutenção da coerência do jato por uma distância
mais longa.
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Abrasivos sintéticos não são usados normalmente 
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Os principais parâmetros que afetam o desempenho da operação são:
• pressão e vazão do jato
• diâmetro do bocal
• distância bocal-peça (2,5 - 25 mm)
• velocidade de avanço
• tipo e tamanho de abrasivo.
A Figura 2.10 apresenta um nomograma no qual é possível determinar, a partir da vazão e 
pressão do jato e do diâmetro interno do bocal, a potência disponível para o corte (ASM, 1995). 
Alternativamente, a partir a equação de Bernoulli para fluidos incompressíveis é possível 
determinar a velocidade (Equação 2.1) e a vazão (Equação 2.2) do jato:
)2.2.(2)4(
)1.2.(2
2 EqpDpCQ
Eqpv
D 

ρ
ρ
=
=
Onde,
v: velocidade do jato.
p: pressão do fluido.
ρ: densidade do fluido.
Q: vazão.
CD: coeficiente do orifício (aproximadamente 0,7).
D: diâmetro do orifício.
Para a operação sem abrasivo, Konig et al. (apud McGeough, 1988) afirmam que velocidades
de avanço máximas de 4 e 6 m/min podem ser empregadas para o corte de plásticos
reforçados com fibras de aramida e de vidro, respectivamente. A Tabela 2.1 apresenta as
velocidades de avanço indicadas para outros materiais.
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Figura 2.10: Nomograma para determinação da potência de corte do jato abrasivo (CD=1).
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Tabela 2.1: Velocidades de avanço recomendadas para o corte com jato de água sem abrasivo
(Olsen apud Benedict, 1987).
Material Espessura (mm) Velocidade de avanço(m/min)
Alumínio
Vidro
Papel
Espuma
Papel corrugado
1,3
12,7
25
50
6,3
0,15
1,5
6
152
183
A Figura 2.11apresenta a relação entre pressão do jato abrasivo e velocidade de avanço para
diversos tipos, vazões e tamanhos de abrasivos (ASM, 1995). Nota-se que a velocidade de
avanço necessária para garantir o corte pode ser aumentada com a elevação da pressão do
jato, da vazão de abrasivo acrescentado à água e/ou do tamanho das partículas abrasivas.
Figura 2.11: Relação entre pressão do jato abrasivo e velocidade de avanço
(abrasivo: granada).
De modo análogo, a Figura 2.12(a) ilustra a relação entre velocidade de avanço e espessura de
corte para diversos materiais (Ohman, apud Kulekci, 2002) e a Figura 2.12(b) representa a
relação entre vazão de abrasivos e espessura de corte (El-Hofy, 2014).
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Garnet = granada
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(a)
(b)
Figura 2.12: (a) Relação entre velocidade de avanço e espessura de corte para diversos
materiais (pressão de 2500 bar, distância de 2 mm (Ohman, apud Kulekci, 2002) e (b) relação
entre vazão de abrasivos e espessura de corte para diversos materiais (El-Hofy, 2014).
A influência da pressão de água e do tamanho do abrasivo sobre a espessura do corte está
representada na Figura 2.13 (Kulekci, 2002). Observa-se nas Figuras 2.13(a) e 2.13(b) que
uma maior profundidade de corte pode ser atingida durante o corte de alumínio em comparação
com o aço inoxidável. Além disso, espessura de corte máxima é obtida quando o tamanho das
partículas abrasivas de granada situa-se em torno de 200 µm para o corte de aço inoxidável e
250 µm para o alumínio.
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Figura 2.13: (a) Influência da pressão de água sobre a espessura de corte. 
(b) Influência do tamanho do abrasivo sobre a espessura de corte.
A influência da vazão de abrasivos sobre a taxa de remoção de material é mostrada na Figura
2.14 (Hocheng et al., 2013), onde se observa que este efeito é mais pronunciado sob alta
pressão e utilizando grãos abrasivos maiores. 
Figura 2.14: Influência da vazão de abrasivos sobre a taxa de remoção de material
Uma das desvantagens da usinagem por jato abrasivo está associada à textura irregular da
seção de corte provocada pela deflexão do jato, representada de forma esquemática na Figura
2.15. Além disso, quando o jato executa cortes em arco ou cantos, tem-se uma forma cônica de
corte, como mostra a Figura 2.16(a). O corte com perfil inclinado, ilustrado na Figura 2.16(b),
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também é frequente e pode ser eliminado pelo aumento da potência ou redução da velocidade
de avanço.
Figura 2.15: Deflexão do jato durante o corte (Kulekci, 2002).
Figura 2.16: Desvios geométricos observados no corte por jato de água com abrasivos (Kulekci,
2002).
A Figura 2.17 (Hascalik et al., 2006) mostra: (a) a seção transversal de uma peça de Ti-6Al-4V
cortada por jato de água abrasivo, na qual são identificadas três regiões distintas (IDR, SCD e
RCR) e (b) a vista lateral mostrando a variação na largura de corte. A região IDR representa a
zona de ataque primária resultante da expansão do jato, anterior ao choque. Nessa região os
materiais mais dúcteis estão sujeitos à deformação plástica devido à energia cinética do jato de
água abrasivo. A região SCR representa a zona intermediária de ataque, onde se observa
melhor acabamento superficial e onde a energia é consumida na remoção de material.
Finalmente, RCR é a zona de deflexão do jato abrasivo, onde estrias são geradas na peça.
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(a) Seção transversal (b) Vista lateral
Figura 2.17: Superfície de Ti-6Al-4V usinada por jato de água abrasivo 
(velocidade de avanço: 60 mm/min).
A inclinação do corte é afetada principalmente pela velocidade de avanço e pela pressão do
fluido, conforme mostra a Figura 2.18 (Hocheng et al., 20013). Sob alta velocidade de avanço, a
borda inferior do material não recebe energia suficiente para que a fenda produzinda apresente
largura constante. Por outro lado, altas pressões do jato fornecem energia cinética suficiente
para que a largura da fenda seja uniforme.
A Tabela 2.2 mostra de forma qualitativa a influência do material da peça e sua espessura e da
velocidade de avanço sobre a qualidade do corte obtido e a Figura 2.19 apresenta a influência
da velocidade de avanço e granulometria dos abrasivos sobre a rugosidade da parede gerada.
A Figura 2.20 apresenta a influência do fator de forma (razão entre o menor e o maior diâmetros
de um grão abrasivo), dureza do abrasivo e velocidade de avanço sobre a taxa de remoção.
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Figura 2.18: Influência da velocidade de avanço sobre a inclinação da fenda.
Tabela 2.2: Qualidade obtida para diferentes condições de trabalho: pressão de 3800 bar e
distância de corte de 2 mm (Berkeley Chemical Research Inc., apud Kulekci, 2002).
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Figura 2.19: Influência da velocidade de avanço e granulometria do abrasivo sobre a rugosidade
da parede (Hocheng et al., 2013).
Figura 2.20: Taxa de remoção de material (Ti6Al4V) em função de: (a) e (b) fator de forma
(vf=0,03 – 0,08 e 0,17 m/s), (c) e (d) dureza do abrasivo (Fowler et al., 2009).
As principais vantagens do corte por jato abrasivo são:
• forças de usinagem baixas
• dispensa pré-furação
• não induz alterações térmicas na peça
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• corte sem partículas suspensas
• fácil integração com sistemas automatizados
• corte de camadas múltiplas
• pequena largura de corte.
Em contrapartida, este processo apresenta as seguintes limitações:
• baixa eficiência no corte de materiais metálicos
• acabamento opaco
• tolerâncias dimensionais abertas (±0,13 mm)
• produz estrias na peça
• requer proteção contra ruído e altas pressões
• elevado custo do equipamento.
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2.3 Usinagem por fluxo abrasivo
Trata-se de uma operação de acabamento na qual dois pistões opostos alternadamente
extrudam um fluido abrasivo semissólido de um cilindro para o outro através do espaço
existente entre peça e matriz, promovendo a remoção do material da peça (Figura 2.21).
A repetição da operação através de passagens restritas provoca a abrasão da peça e
permite a fabricação de até milhares de peças por hora, porém com baixa taxa de
remoção de material. Desta forma é possível usinar diversas passagens inacessíveis
simultaneamente, além de montar diversas peças em um único dispositivo. A ação
abrasiva assemelha-se à retificação ou lapidação e é tanto maior quanto maior for a
restrição à passagem do fluido, pois assim a força de corte e a velocidade do fluido sãoelevadas.
Figura 2.21: Diagrama da usinagem por fluxo abrasivo.
O equipamento, ilustrado na Figura 2.22, opera a uma pressão de 0,7 a 20 MPa e vazão
de 10 a 380 L/min e o número de ciclos necessário ao acabamento de uma peça varia de
três a centenas de ciclos (Benedict, 1987). Temperatura, viscosidade, pressão, desgaste
e vazão são controlados durante a operação. Máquinas automatizadas apresentam
tempo de produção entre 1 e 3 minutos, porém, o processo não é adequado quando se
deseja elevado volume de material removido por peça. A matriz mantém a peça
posicionada e direciona o fluido corretamente e restringindo sua passagem onde abrasão
deve ocorrer (Figura 2.23). 
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Melhora superfície da peça 
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Figura 2.22: Equipamento para usinagem por fluxo abrasivo.
Figura 2.23: Matriz e peça na 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. As propriedades do fluido
são alteradas de acordo com o resultado desejado, ou seja, baixa vazão e alta
viscosidade são recomendadas para remoção mais uniforme (geração de cantos vivos),
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ao passo que para a produção de raios usa-se fluido abrasivo com vazão mais alta e
menor viscosidade, vide Figura 2.24.
(a)fluido de alta viscosidade (b) fluido de baixa viscosidade
Figura 2.24: Influência da viscosidade do fluido abrasivo sobre a remoção de material:
(a) fluido com viscosidade alta e (b) fluido com viscosidade baixa (ASM, 1995).
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. As tolerâncias
dimensionais podem chegar a ±5 µm (Benedict, 1987), porém, irregularidades e
imperfeições profundas não podem ser removidas. Além disso, furos não passantes não
podem ser usinados.
As Figuras 2.25 a 2.27 mostram a influência do número de ciclos sobre a rugosidade da
superfície e massa removida (Liang Fang et al., 2009). Observa-se na Figura 2.25 que a
rugosidade cai drasticamente após o primeiro ciclo, entretanto, não há melhoria
substancial nos ciclos subsequentes, nem em função do material da peça. Por outro lado,
as Figuras 2.26 e 2.27 mostram que o material da peça e a viscosidade do fluido afetam
de forma acentuada o volume removido de material.
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Figura 2.25: Influência do número de ciclos sobre a rugosidade dos aços AISI 1045,
1080 e A36.
Figura 2.26: Influência do número de ciclos sobre a massa removida dos aços AISI
1045, 1080 e A36.
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Figura 2.27: Influência do número de ciclos e da viscosidade do fluido sobre a massa
removida de material.
Os principais materiais abrasivos utilizados são o óxido de alumínio (Al2O3), o carboneto
de silício (SiC), o carboneto de boro (BC) e o diamante. O primeiro é empregado para uso
geral enquanto o segundo proporciona taxas de remoção de material mais elevadas. O
carboneto de boro é indicado para materiais mais duros e o diamante para a usinagem de
carboneto de tungstênio e remoção de camada fundida. O tamanho das partículas varia
de 0,005 a 1,5 mm (quanto menor o grão abrasivo, melhor o acabamento, porém menor é
a taxa de remoção). Em geral, o abrasivo pode ser usado por semanas, produzindo
milhares de peças antes de ser substituído. 
Entretanto, Tzeng et al. (2007) observaram que a relação entre tamanho médio dos
abrasivos e rugosidade é um pouco mais complexa. De acordo com estes autores, a
força que mantém os abrasivos de pequeno diâmetro presos ao fluido é baixa, o que
prejudica a remoção de material e a redução da rugosidade da superfície. Assim, a
rugosidade diminui com a elevação do tamanho das partículas abrasivas, da viscosidade
do fluido e do tempo de processamento, vide Figura 2.28.
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Figura 2.28: Efeito dos parâmetros da usinagem por fluxo abrasivo sobre a rugosidade da
peça: (a) tamanho dos abrasivos, (b) concentração de abrasivos e (c) pressão de
extrusão (Tzeng et al., 2007).
Aplicações típicas (produção em massa) da usinagem por fluxo abrasivo abrangem:
• 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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A Figura 2.29 mostra a integridade superficial de canais produzidos por eletroerosão a fio
antes e depois de serem submetidos à usinagem por fluxo abrasivo. Além da remoção da
zona termicamente afetada, nota-se a redução do raio produzido.
(a) após eletroerosão (b) eletroerosão seguida de fluxo abrasivo
Figura 2.29: Influência da usinagem por fluxo abrasivo sobre a integridade superficial de
canais usinados por eletroerosão à fio (Tzeng et al., 2007).
Jha e Jain (2004) estudaram a influência do campo magnético sobre a usinagem por fluxo
abrasivo utilizando como fluido uma mistura de pó de ferro carbonila e SiC com graxa e
óleo mineral (Figura 2.30). Na ausência do campo magnético os grãos abrasivos rolam ao
entrar em contato com as irregularidades, reduzindo a eficiência da operação. A aplicação
do campo magnético durante a operação faz com que as partículas de ferro sejam
usadas para pressionar os abrasivos contra as irregularidades. Controlando a força
magnética é possível controlar a remoção das irregularidades e assim promover melhor
acabamento na superfície.
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(a) Campo magnético ausente: remoção deficiente.
(b) Campo magnético presente: remoção eficiente.
Figura 2.30: Usinagem por fluxo abrasivo: (a) sem campo magnético e 
(b) com campo magnético
A Figura 2.31 mostra exemplos de peças antes e após serem submetidas à operação de
usinagem por fluxo abrasivo (Extrude Hone, 2009). Observa-se o elevado acabamento
obtido em regiões de acesso restrito após a operação de fluxo abrasivo.
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Figura 2.31: Exemplos de peças usinadas por fluxo abrasivo.
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2.4 Usinagem ultrassônica
A utilização de ondas sonoras de alta frequência visando a remoção de material foi
aventada pela primeira vez em 1927 por Wood e Loomis, entretanto, somente em 1945a
primeira patente foi depositada por Balamuth e em 1950 as primeiras máquinas
ferramentas ultrassônicas começaram a ser comercializadas (McGeough, 1988).
Esta operação emprega a vibração ultrassônica a uma frequência acima de 20 kHz e
amplitudes de 1 a 35 µm para usinar materiais duros, frágeis e preferencialmente não
metálicos. A ferramenta pode ser rotativa ou estática e é pressionada contra a peça por
um sistema pneumático, por molas ou contrapeso (mais simples). Na usinagem com
ferramenta estática uma mistura de abrasivo e água é injetada entre ferramenta e peça. A
cavidade formada é o negativo da ferramenta e cavidades grandes são produzidas por
trepanação.
A remoção é provocada pelos seguintes fenômenos (Thoe et al., 1998), conforme
ilustrado na Figura 2.32:
• abrasão pelo impacto direto de partículas abrasivas forçadas contra a peça pela
ferramenta
• microlascamento causado por abrasivos livres
• cavitação.
Figura 2.32: Mecanismos de remoção de material na usinagem ultrassônica (El-Hofy,
2014).
Entretanto, não há consenso a respeito da predominância de um ou mais desses
fenômenos, embora para alguns autores a cavitação responda por, no máximo, 5% da
taxa de remoção de material (McGeough, 1988). Em contrapartida, Ichida et al. (2005)
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realizaram testes nos quais a ferramenta foi mantida afastada da peça e sem a utilização
de abrasivos (apenas água ou álcool metílico foram usados como fluido). Sob tais
circunstâncias, a cavitação foi considerada o único responsável pela remoção de material
na forma de crateras com diâmetro de 0,5 a 5 µm e profundidade de 0,05 a 1 µm.
As principais aplicações da usinagem ultrassônica com ferramenta estática são as
seguintes:
• 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.
A Figura 2.33 mostra a influência do material da peça sobre a velocidade de penentração
na usinagem ultrassônica (Klocke e Konig, 2007). Nota-se que a taxa de remoção de
material diminui com a elevação da tenacidade à fratura (k1c) da peça.
Figura 2.33: Influência do material da peça sobre a velocidade de penetração na
usinagem ultrassônica.
Na usinagem com ferramenta rotativa, além de vibrar, a ferramenta diamantada gira. A
remoção de material ocorre essencialmente pelo cisalhamento causado pelos cristais de
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diamante incrustados na ferramenta, efeito que é maximizado pela vibração ultrassônica.
Abrasivos não são aplicados nesse caso e apenas água é usada para refrigeração e
remoção de resíduos. A amplitude de vibração varia de 25 a 50 µm e o sistema deve
trabalhar a baixas pressões para se evitar a quebra de peças frágeis. As aplicações da
usinagem ultrassônica com ferramenta rotativa envolvem principalmente o fresamento de
canais, além da furação e retificação de materiais não metálicos como vidro, cerâmicas,
quartzo, rubi, safira, etc. e alguns compósitos.
Em linhas gerais, o equipamento consiste de uma fonte que eleva a freqüência de 60 Hz
para a faixa ultrassônica (20kHz) e potência de 150 – 2500 W para usinagem com
ferramenta estática e 450 W para ferramenta rotativa. Um transdutor piezelétrico
(normalmente quartzo, cuja eficiência de conversão é de 96%) ou magnetostritivo
(eficiência de conversão de 20-35%) é responsável pela conversão de energia elétrica em
mecânica (Benedict, 1987). Em virtude de sua baixa eficiência de conversão, a
temperatura do transdutor magnetostritivo tende a se elevar, o que exige um sistema de
refrigeração a água.
De forma geral, os transdutores piezelétricos (mais modernos) têm seu funcionamento
baseado nas alterações dimensionais induzidas quando determinados materiais
(cerâmicas sintéticas) são submetidos a um campo elétrico. Um disco de material
piezelétrico é montado entre duas chapas espessas de metal, de forma que a passagem
de corrente a uma determinada frequência faz com que esse sanduíche vibre a uma
frequência ressonante ao longo do eixo longitudinal.
O funcionamento do transdutor magnetostritivo é baseado no fenômeno de alteração do
comprimento de um objeto ferromagnético quando submetido a um campo magnético de
frequência ultrassônica. O perfil de alongamento do transdutor magnetostritivo varia com
seu comprimento, de forma que a amplitude máxima de alongamento ocorrerá a uma
distância de um quarto do comprimento de onda a partir do plano nodal. Assim, o
alongamento máximo será obtido para um transdutor de comprimento igual à metade do
comprimento de onda, como mostra a Figura 2.34. 
A velocidade do som em um meio sólido (v) pode ser calculada pela Equação (2.3), o
comprimento de onda (λ) pela Equação (2.4) e a frequência de ressonância (fr) pela
Equação (2.5). Por exemplo, a uma frequência de 25 kHz, uma onda se propagando em
um meio sólido possui comprimento de onda aproximado de 200 mm.
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)5.2.(
2
1
)4.2.(1
)3.2.()2(
)1( 2
1
2
EqEf
EqEff
v
Eq
mm
mmE
v
r 
ℓ


ρ
ρ
λ
ρ
=
==






−−
−
=
Onde,
E: módulo de elasticidade.
ρ: densidade.
1/m: coeficiente de Poisson.
f: frequência de alteração do campo magnético.
ℓ: comprimento do transdutor.
Figura 2.34: Variação do alongamento com o comprimento do transdutor.
A Tabela 2.3 apresenta o valor do coeficiente de alongamento magnetostritivo de
algumas ligas (determinado pela razão entre a variação no comprimento e o comprimento
do transdutor). Os valores de alongamento obtidos diretamente são relativamente baixos,
variando de 0,001 a 0,1 µm (McGeough, 1988) e por isso têm pouca utilidade prática. Por
esse motivo, faz-se necessário um amplificador de amplitude (também chamado de
concentrador ou cone) de forma a se obter amplitudes na faixa de 10-40 µm, necessárias
para o corte de materiais. Por fim, tem-se a ferramenta cujo diâmetro máximo não deve
ser superior a Ø 50mm. 
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Tabela 2.3: Coeficiente de alongamento magnetostritivo de algumas ligas (Kaczmarek
apud McGeough, 1988).
Material
Coeficiente de alongamento
magnetostritivo (x106)
Alfer (13% Al, 87% Fe)
Hypernik (50% Ni, 50% Fe)
Permalloy (40% Ni, 60% Fe)
Permendur (49% Co, 2% V, 49% Fe)
40
25
25
9
A Figura 2.35 ilustra um sistema composto de transdutor, amplificador e ferramenta.
Máquinas estáticas mais sofisticadas são equipadas com comando numérico
computadorizado e dispositivos de compensação do desgaste da ferramenta. O
comprimento do amplificador deve ser múltiplo da metade do comprimento de onda do
som de forma a se atingir a frequência ressonante e, consequentemente, amplitude
máxima de vibração do amplificador e da ferramenta. O amplificador deve ser feito de
material com elevada resistência à fadiga, sendo o titânio e as ligas a base de bronze os
materiais mais utilizados para esta finalidade.
Figura 2.35: Sistema para usinagem ultrassônica (McGeough, 1988).
O amplificador é um elemento crítico pois, além amplificar, direciona e foca a energia
convertida pelo transdutor, garantindo o aproveitamento ótimo dessa energia pormeio de
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ressonância. Seu perfil geralmente é cilíndrico, cônico ou exponencial. Ao contrário do
suporte cilíndrico, que mantém a mesma amplitude de vibração do transdutor, os
amplificadores de seção variável têm a capacidade de amplificar a amplitude em até
600%, aumentando a taxa de remoção de material em até 10 vezes, porém, são de
fabricação mais complexa (Benedict, 1987). 
A Figura 2.36 mostra dois amplificadores exponenciais externo e interno (Pandey e Shan,
1980). Nesses casos, a energia acústica não é refletida na superfície lateral e é
gradualmente concentrada em uma área casa vez menor, fazendo com que amplitude e
velocidade de vibração aumentem. 
Figura 2.36: Representação de cones exponenciais para usinagem ultrassônica.
O material da ferramenta estática também deve possuir elevada resistência à fadiga,
além ser dúctil o suficiente para minimizar o desgaste, podendo ser de aço inoxidável, aço
prata, aço cromo-níquel, carboneto de tungstênio ou mesmo latão. Quanto maior a
dureza da ferramenta, mais acentuado será o seu desgaste. A fixação ao amplificador se
dá por parafuso, entretanto, a rosca deve ser superdimensionada na porca e
subdimensionada no parafuso para evitar que ocorra soldagem ultrassônica desses
elementos durante a operação. 
Quanto menor a área de contato ferramenta-peça, melhor será a distribuição de abrasivos
na interface e, consequentemente, maior será a velocidade de avanço da ferramenta. Por
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esse motivo, a operação de trepanação é preferível à furação em cheio. Além disso, a
área da ferramenta não deve exceder a menor área de seção do amplificador em mais de
15% e a profundidade de penetração não deve exceder o diâmetro da ferramenta em
mais de 2,5 vezes. A Figura 2.37 ilustra exemplos de ferramentas estáticas para
usinagem ultrassônica, algumas delas já montadas nos amplificadores.
Figura 2.37: Ferramentas estáticas para usinagem ultrassônica (ASM, 1995).
A dureza do abrasivo deve ser igual ou superior a do material a ser usinado.
Normalmente são usados como abrasivos o carboneto de boro - BC (vida de 200 horas),
carboneto de silício - SiC (60 horas) e óxido de alumínio (Al2O3) com granulometria entre
9 e 50 µm (Benedict, 1987). O diamante é recomendado apenas para a usinagem de
peças do mesmo material ou de rubi. A mistura contém de 30 a 60% em massa de
abrasivos em água e é necessária uma vazão mínima de 25 L/min. A Figura 2.38
apresenta dois modos de aplicação da mistura: jorro e sucção. A primeira é mais simples,
porém a segunda permite maior eficiência da operação por se capaz de renovar os
abrasivos na região de corte, especialmente na usinagem de furos profundos.
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Figura 2.38: 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. Os principais parâmetros do
processo que afetam a taxa de remoção são:
• amplitude de vibração
• pressão aplicada à peça
• tamanho e material do abrasivo
• pressão da mistura abrasivos/água.
As Figuras 2.39 a 2.42 mostram o efeito de vários parâmetros sobre a taxa de remoção
na usinagem ultrassônica (McGeough, 1988). A elevação da amplitude de vibração e da
pressão da ferramenta contra a peça resulta em maior taxa de remoção de material
(Figura 2.39). 
Embora alguns autores tenham relatado que a taxa de remoção de material aumenta com
a frequência na faixa de 5 a 20 kHz, a Figura 2.40 mostra que a elevação da frequência
de vibração de 19 para 43 kHz resulta na queda da taxa de remoção de material. De
acordo com Markov (apud Pandey e Shan, 1980), a taxa de remoção de material é
diretamente proporcional à velocidade da partícula abrasiva, ou seja, é proporcional à
razão entre amplitude e frequência ressonante. Isto significa que a frequência a ser
utilizada para usinagem deve ser a de ressonância para que se obtenha amplitude
máxima na ponta da ferramenta e, por conseguinte, máximo aproveitamento do sistema
acústico.
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Figura 2.39: Influência da amplitude de vibração sobre a taxa de remoção na furação de
vidro com ferramenta de aço e abrasivo BC.
Figura 2.40: Influência da amplitude de vibração sobre a taxa de remoção na furação de
aço temperado com ferramenta de aço e abrasivo BC.
A Figura 2.41 mostra que o BC é um abrasivo mais eficiente que o SiC devido a dureza
mais elevada do primeiro (4200 HV para o BC e 3100 HV para o SiC).e que a eficiência
da operação aumenta com a concentração de abrasivo, uma vez que a quantidade de
abrasivos disponível para o corte aumenta. Finalmente, a Figura 2.42 ilustra a redução da
rugosidade à medida que o tamanho das partículas abrasivas é reduzido. Além disso,
valores mais baixos de Ra são obtidos para o aço temperado e mais altos para o vidro,
provavelmente devido à maior fragilidade deste.
44
Freqüência:
○ 19 kHz
� 24,7 kHz
△ 43 kHz
Pressão:
○ 0,04 MPa
� 0,10 MPa
△0,16 MPa
� 0,20 MPa
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Figura 2.41: Influência relativa da concentração sobre a taxa de remoção (○ BC e � SiC).
Figura 2.42: Influência do tamanho de grão abrasivo sobre a rugosidade da peça.
A exatidão do processo estático depende principalmente do tamanho do grão abrasivo,
muito embora o desgaste da ferramenta, a vibração transversal e a profundidade do furo
também sejam influentes. A folga entre ferramenta e peça (sobrecorte) varia de 2 a 4
vezes o tamanho médio dos grãos abrasivos e normalmente é maior na superfície de
entrada do que na de saída, o que resulta em conicidade do furo. Esta conicidade pode
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Material da peça:
○ vidro
� silício
 cerâmica
� aço temperado
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ser reduzida pelo aumento da carga estática (reduzindo assim o tempo de usinagem),
redução do desgaste da ferramenta ou redução do tamanho dos abrasivos.
Outro aspecto crítico diz respeito à assimetria do furo, que surge devido à vibração
transversal da ferramenta quando sua linha de centro não está perpendicular à peça,
quando os componentes acústicos da máquina estão desalinhados ou ainda quando a
linha de centro da ferramenta está fora do eixo vertical de movimento. Esta assimetria
varia de 40 a 120 µm para o vidro e de 20 a 60 µm para a grafita (McGeough, 1988).
Valores típicos de rugosidade e tolerâncias dimensionais encontram-se em torno de
Ra=0,7 µm e ±0,025 mm, respectivamente.
Dentre as 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.
Por outro lado, citam-se as seguintes desvantagens:
• custo de ferramental elevado
• necessidade de reposição do abrasivo
• baixa taxa de remoção
•baixa eficiência contra materiais dúcteis.
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