Usinagem por fluxo abrasivo

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ 
UNIDADE DE ENSINO DESCENTRALIZADA DE PONTA GROSSA 
TECNOLOGIA EM MECÂNICA - PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 
COORDENAÇÃO DE MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROCESSOS NÃO CONVENCIONAIS DE USINAGEM 
FLUXO ABRASIVO (ABRASIVE FLOW MACHINING) 
 
 
 
Trabalho apresentado à disciplina de 
Tecnologoa dos Processos de Fabricação V, 
do Centro Federal de Educação Tecnológica 
do Paraná, UNED-PG 
Prof.: Irapuã dos Santos 
Nome: Northon Cristyan Kieski Sauer 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ponta Grossa 
Setembro / 2002 
 3 
Sumário 
 
 
 
Introdução ........................................................................................................................ 4 
1.0 - Processos Não Convencionais de Usinagem ........................................................... 5 
2.0 - Processo de Usinagem por Fluxo Abrasivo ............................................................ 6 
3.0 - Aplicações da Usinagem por Fluxo Abrasivo ......................................................... 9 
4.0 - Vantagens e Desvantagens do Processo ................................................................ 10 
5.0 – Fluxo Abrasivo x Eletroerosão ............................................................................. 11 
6.0 – Fluxo Abrasivo x Outros Processos Não Convencionais de Usinagem .............. 12 
Conclusão ...................................................................................................................... 15 
Bibliografia .................................................................................................................... 16
 4 
Introdução 
 
 
 
 A usinagem por fluxo abrasivo (ABF – Abrasive Flow Machining) foi 
desenvolvida independentemente através de duas companhias americanas (patenteado 
pela Extrude Hone) nos anos sessenta. Inicialmente, o processo foi desenvolvido para 
rebarbação e acabamento de furos com formas complexas existentes em sistemas 
hidraúlicos de aviões. Muitos destes componentes, exigiam melhorias de cantos e 
superfície em locais impossíveis de se alcançar com os processos convencionais de 
usinagem. A Extrude Hone criou utilizou um polímero semi-sólido misturado com 
grãos abrasivos que usinava a superfície uniformemente por onde ele era obrigado a 
passar. O processo foi patenteado com o nome de "powerflow". 
 De uma maneira bastante simples, podemos dizer que o processo da 
ExtrudeHone pode ser pensado como se uma pedra destinada a retificadoras, ficasse 
viva. A pasta usada no processo, age como uma lima que adquire a forma da peça a ser 
usinada. O resultado é um acabamento superficial que não pode ser alcançado pelos 
métodos tradicionais em locais antes inacessíveis. Materiais como alumínio, aços 
ligados, cerâmica e metal duro são usinados sem problemas com este método. 
 5 
1.0 – Processos Não Convencionais de Usinagem 
 Desde de 1940 houve uma revolução na fabricação que tem tomado espaço, uma 
vez que os processos permitem aos fabricantes encontrar demanda em crescimento, 
design sofisticado. Mas em muitos casos há peças e materiais quase impossíveis de 
usinar. Esta revolução da fabricação é agora como tinha sido no passado, centradas no 
uso de novas ferramentas e novas formas de energia. O resultado tem sido novos 
processos de fabricação usados para remoção de materiais, modelagem e junções 
conhecidas hoje como um processo de fabricação não convencional 
 Atualmente, os processos de usinagem não convencionais possuem capacidades 
virtualmente ilimitadas quando comparados com os processos convencionais, com 
exceção das taxas volumétricas de remoção de materiais. Foram feitos grandes avanços 
nos últimos anos aumentando as taxas de remoção de alguns destes processos, e não há 
nenhuma razão para acreditar que esta tendência não continuará no futuro. Como o 
aumento de taxas de remoção, a efetividade do custo de operações como também a 
remoção de material também aumentará, estimulando o maior uso de processos não 
convencionais. 
 Quando selecionados e aplicados de modo apropriado, os processos de usinagem 
não convencionais oferecem mais vantagens técnicas e econômicas que os processos 
tradicionais. 
 De acordo com a natureza energética, podemos agrupar os processos de 
usinagem não convencionais em quatro categorias, sendo eles de natureza mecânica, 
química, eletroquímica ou eletrotérmica (tabela 1) 
Natureza energética 
do processo 
Modo de remoção do 
material 
Processo 
Mecânica Por erosão 
- Usinagem por jato de água 
- Usinagem por jato de água com 
abrasivo 
- Usinagem por ultra-som 
- Usinagem por fluxo abrasivo 
Química Por reações químicas - Usinagem química 
Eletroquímica Por reações eletrolíticas - Usinagem eletroquímica 
Eletrotérmica Por fusão/vaporização 
- Usinagem a laser 
- Usinagem por plasma 
- Usinagem por feixe de elétrons 
- Usinagem por eletroerosão 
 
Tabela 1 - Classificação dos processos não convencionais de acordo com a natureza energética 
 
 6 
2.0 – Processo de Usinagem por Fluxo Abrasivo 
 O fluxo abrasivo é um processo de acabamento que remove pequenas 
quantidades de material através de um fluido semi-sólido, onde um abrasivo é carregado 
e forçado a passar através ou ao lado oposto de uma peça. Este abrasivo pode ser 
pensado como uma pedra porosa deformável que é extrudada pelas arestas ou pela 
superfície para polir, remover rebarbas, executar uma menor usinagem de superfície, ou 
ainda produzir tensões residuais de compressão. Como o abrasivo flui através de partes 
com diferentes geometrias, ou áreas de passagem, a velocidade do mesmo pode mudar. 
Em passagens com maiores restrições produzirá maiores forças e alta velocidade do 
meio. O resultado é a ação de corte em multipontos contra a parede pela ação de 
pequenas partículas de abrasivo. 
 Devido ao fato da taxa de remoção de material ser baixa, AFM (abrasive flow 
machine) não é indicada para remoção em massa de material. AFM (abrasive flow 
machine) é primeiramente usado para operações de acabamento envolvendo metais, 
cerâmicas e muitos plásticos de uma maneira uniforme e econômica. AFM (abrasive 
flow machine) é particularmente útil quando aplicada em peças contendo passagens que 
são considerados inacessíveis com rebarbações convencionais e ferramentas polidoras. 
 Um típico equipamento de AFM (Abrasive Flow Machining) é construído com 
duas câmaras opostas que são hidraulicamente ou manualmente comprimidas com uma 
peça entre elas (figura 1 e 2). Quanto maior for a restrição à passagem do fluido mais 
rápido será a remoção do material. A pressão de extrusão média pode variar de 0,69 a 
22 MPa (100 a 9200 psi), baixas pressões são preferidas quando se processa partes 
frágeis ou quando há partes móveis na peça. Enquanto muito pouco calor é gerado no 
processo, resfriadores são recomendados em algumas aplicações para manter constante 
a viscosidade média. 
 A peça que é situada em uma instalação especial, é apertada hidraulicamente na 
área entre os dois pistões. Durante o processo, pistão inferior (2-a) move-se primeiro a 
uma pressão definida até o centro (2-b). Depois, com a pressão de trabalho do pistão 
superior, os fluxos interagem ao longo dos contornos da peça (2-c). Este movimento 
completo repete-se e inicia-se um novo ciclo. 
 7 
 
Figura 1 - AFM (Abrasive Flow Machining) 
 
 
Figura 2 - Esquema de interação dos pistões e fluxo abrasivo em AFM 
 
 Este processo depende de três elementos básicos: 
 - O ferramental que dirige a pasta para os locais apropriados; 
 - A máquina que controla a velocidade e a pressão da pasta; 
 - A pasta que determina o acabamento superficial e a agressividade do processo. 
 A função das ferramentas AFM é segurar a parte ou partes na posição contendo e 
direcionando o fluido. O fundamental para se remover o material é restringir a passagem 
 8 
de fluidos na região onde sedeseja usinar. Quando o processo é utilizado em superfícies 
externas, a ferramenta é uma restrição. Por exemplo, para polir dentes de uma 
engrenagem, um cilindro é colocado ao redor do diâmetro externo da engrenagem, 
como mostra a figura 3, ainda poderia ser restringida a área de passagem entre os 
dentes da engrenagem. 
 
Figura 3 – Ferramenta com restrição para polir dentes de engrenagem 
 O fluido AFM é um material flexível o suficiente para agir como uma pedra 
porosa automoldável quando forçada através de uma passagem. Para haver esta 
propriedade, o meio compreende em uma base, tipicamente formada por dois ou três 
tamanhos de partículas. A base consiste em um polímero orgânico e um gel especial de 
hidrocarbonetos. A composição específica da base determina o grau de rigidez exibida 
pelo meio. O meio rígido é usado para operações que exijam partículas maiores, 
enquanto aplicações que requerem um abrasivo com partículas menores, passagens 
gasosas são usadas que resultam num meio mais macio. A figura 4 ilustra a clara 
diferença entre um comportamento mais rígido e comportamento menos rígido do 
fluido. 
 
 ( a ) ( b ) 
Figura 4 – Comportamento mais rígido (a) e menos rígido (b) de um fluido abrasivo 
 
 A usinagem por fluxo abrasivo é capaz de aumentar a homogeneidade da 
superfície em 10 vezes quando a superfície inicial está entre 0,7 a 7 m. O limite prático 
para um melhor acabamento é até 0,05 m. 
 9 
3.0 – Aplicações da Usinagem por Fluxo Abrasivo 
 Com mais de 1.200 instalações no mundo, o processo é usado para polir raios ou 
remover rebarbas em peças usadas em turbinas de avião e indústria aeroespacial, em 
"manifolds" de sistemas hidráulicos, matrizes, equipamentos sirúrgicos, indústrias de 
semi condutores, etc (fonte - Hontech Ltda). 
 Como exemplos de aplicação temos superfícies de turbina, removendo marcas 
de turbina, onde o processo manual demora até 9 horas e no processo por fluxo abrasivo 
demora 0,9 horas, promovendo uma uniformidade de 3,1 a 0,7 m, valor que pode ser 
alcançado em 6,1 horas em laboratório. Outro exemplo da usinagem por fluxo abrasivo 
é o seu uso após a EDM (Electrical Discharge Machine), onde nesta consegue-se um 
acabamento de 1,9 m, com a usinagem por fluxo abrasivo, após 4 minutos se alcança 
um acabamento de 0,1 m. 
 
 10 
4.0 – Vantagens e Desvantagens do Processo 
 Como vantagens do AFM (abrasive flow machine) podem-se citar: 
- Rebarbamento, polimento e arredondamentos em uma operação; 
- Maior repetibilidade que métodos manuais; 
- Usinagem de áreas inacessíveis para a usinagem convencional; 
- Produção em lotes, mais rápido que processos manuais. 
 Como desvantagens da AFM (abrasive flow machine): 
- Para peças móveis o processo pode tornar-se caro; 
- Alto investimento inicial; 
- Não pode ser utilizada para usinagem em furos cegos; 
- O composto é perdido quando as peças são limpas. 
 
 11 
5.0 – Fluxo Abrasivo x Eletroerosão 
 A eletroerosão (Eletric Dischargw Machininf – EDM) possui sua natureza 
energética de origem eletrotérmica (fusão/vaporização) enquanto a usinagem por fluxo 
abrasivo possui natureza energética de origem mecânica (erosão). A eletroerosão 
baseia-se na destruição de partículas metálicas por meio de descargas elétricas e a 
usinagem por fluxo abrasivo utiliza-se, como o nome já diz, do fluxo de um abrasivo 
pressurizado entre dois pistões e a peça que sofre erosão ao entrar em contato com o 
abrasivo. 
 No processo de usinagem por fluxo abrasivo consegue-se obter um melhor 
acabamento superficial em relação ao obtido pela eletroerosão. 
 A usinagem por fluxo abrasivo pode ser utilizada após a eletroerosão para dar 
um melhor acabamento superficial e retirar a camada termicamente afetada da peças 
 Na eletroerosão não existe força de corte, pois não há contato entre a ferramenta 
e a peça. Por isso não se formam as tensões comuns nos processos convencionais de 
usinagem. Na usinagem por fluxo abrasivo existem as forças de corte atuantes do 
abrasivo. 
 Na usinagem por fluxo abrasivo é possível obter tolerâncias mais “apertadas” 
que a eletroerosão. 
 Na usinagem por fluxo abrasivo não se pode usinar furos cegos, sendo possível 
na eletroerosão. 
 A eletroerosão não se aplica na usinagem de materiais mal condutores. Na 
usinagem por fluxo abrasivo podemos usinar peças feitas de materiais não condutores 
de eletricidade, como: cerâmica, compósitos, polímeros, etc. 
 Os dois processos são considerados processos de baixa taxa de remoção de 
material e necessitam de um alto investimento inicial. 
 
 12 
5.0 – Fluxo Abrasivo x Outros Processos Não Convencionais de Usinagem 
 No caso da usinagem química e eltroquímica, cabe ressaltar a inexistência da 
atuação de forças de corte comuns nos processos de usinagem convencionais. 
 A natureza energética do processo de usinagem química e eletroquímica 
(química e eletrolítica) diferem da natureza energética do fluxo abrasivo, sendo este 
mecânico (erosão). 
 A usinagem química proporciona peças sem rebarbas, como a usinagem por 
fluxo abrasivo, mas quando o recorte não é rigorosamente perpendicular à superfície e 
os ângulos obtidos são mal reproduzidos, a execução da máscara, nas dimensões ideais, 
torna-se difícil. 
 Equipamento e ferramental para a usinagem química são de baixo custo se 
compararmos com os utilizados na usinagem por fluxo abrasivo. 
 Na usinagem química consegue-se altas taxa de remoção se compararmos com a 
usinagem por fluxo abrasivo e consegue-se usinar baixas cavidades. 
 Na usinagem química é difícil a usinagem de peças pontiagudas. 
 
 A usinagem eletroquímica só é aplicada a corpos condutores de eletricidade, 
além de um elevado custo do equipamento. Recomendada para alta produção, pois, o 
custo do próprio equipamento e de seu ferramental são elevados, além do equipamento 
consumir muita energia. 
 A ferramenta, na usinagem eletroquímica, possui vida longa se comparada com a 
usinagem por fluxo abrasivo. 
 Uma outra desvantagem da usinagem eletroquímica são as dificuldades próprias 
do processo de eletrólise e dificuldades para a ajustagem da ferramenta e pode gerar 
ataque microestrutural intergranular. 
 Na usinagem eletroquímica consegue-se maiores taxas de remoção que a 
usinagem por fluxo abrasivo, sendo que o fluxo abrasivo executa o rebarbamento, 
polimento e arredondamentos em uma única operação. 
 Na usinagem eletrolítica são usinadas somente peças (material) condutoras de 
eletrecidade. 
 
 A usinagem por ultra-som pode usinar materiais frágeis como o vidro, 
materiais esses que não teriam possibilidades de usinagem por fluxo abrasivo devido a 
ação dos abrasivos – atrito com a peça. 
 13 
 Ambos constituem processos caros e possuem sua origem energética de origem 
mecânica e consegue-se um bom acabamento superficial, bem como tolerâncias. 
 Investimento inicial para a compra da máquina de usinagem por ultra-som é 
menor em comparação com a máquina de fluxo abrasivo. 
 Na usinagem por ultra-som consegue-se usinar furo cegos, já no processo por 
fluxo abrasivo isto não é possível. 
 Ambos os processos oferecem uma baixa taxa de remoção de material. 
 
 A usinagem por jato d’água também pode utilizar-se de abrasivos, sendo que 
com o aumento do tamanho da granulação do abrasivo aumenta-se a velocidade de 
corte. Assim, a usinagem por jato d’água utiliza a erosão do material para o corte 
(natureza energética mecânica), mas também possibilita uma boa qualidade superficial. 
 Ambos os processos utilizam a pressão para que aja o fluxo do abrasivo ou água 
e requerem um certo cuidado no manuseio de seus equipamentos. 
 A usinagem por jato d’água pode cortar qualquer tipo de material, já a usinagem 
por fluxo abrasivo não usina materiais como couro,tecido, etc. 
 Na usinagem por jato d’água há um ruído elevado se compararmos com a 
usinagem por fluxo abrasivo. 
 A usinagem por jato d’água é mais utilizada para execução cortes, sendo um 
processo versátil pois possibilita o corte de uma grande variedade de materiais não 
metálicos e macios (aço carbono, aço inox, acrílico, alumínio, borracha, bronze, 
cerâmica, espuma, compósitos cobre, fibra de vidro, granito, mármore, madeira, metal, 
plástico, papel, tecido, titânio, vidro, etc) e é também utilizado para a preparação de 
superfícies como limpeza de casco de navios e pintura automotiva. Para cortar pedras, 
vidros, metais e outros materiais com alta dureza, introduz-se o abrasivo no jato de 
água, aumentando espetacularmente a performance do corte, mas os materiais cerâmicos 
tem sua resistência diminuída após o corte com jato de água com abrasivo. Vidros 
temperados projetados para quebrar a baixas pressões não podem ser cortados por jato 
d’água. 
 O processo por jato d’água consegue usinar furos cegos, já na usinagem por 
fluxo abrasivo não se consegue. 
 Em geral a usinagem por jato d’água, é muito utilizada para obter recortes 
complexos em chapas, onde não é viável a construção de uma matriz 
 14 
 Os processos de usinagem por fluxo abrasivo e jato de água são aplicados na 
indústria aeroespacial. Os compósitos utilizados na indústria aeroespacial podem ser 
cortados e perfurados sem preparação em lâminas e com altíssima precisão. 
 
 A usinagem por laser pode ter seu processo automatizado com o uso de 
computadores tendo suas coordenadas de deslocamento geralmente comandadas por um 
sistema CAD (Computer Aided Design). No caso da usinagem por fluxo abrasivo torna-
se difícil a automatização. 
 A natureza energética desse processo tem origem eletrotérmica. O principio 
"Flying Optical", ou seja, não há contato da peça com nenhum tipo de ferramental, 
proporciona um trabalho com grande qualidade, bom acabamento, além de redução de 
custos e prazos, investimento zero em ferramental, flexibilidade para atendimento de 
pré-séries e lotes de produção, melhor aproveitamento das chapas e imediata resposta a 
alterações de projeto (via CAD). Consiste em um processo mais rápido e com maior 
taxa de remoção que a usinagem por fluxo abrasivo. 
 Como acontece com a usinagem por fluxo abrasivo, é necessário um alto 
investimento inicial do processo mas não há consumo de ferramenta. 
 Uma grande desvantagem do laser é a pequena variedade de potências 
disponíveis, que limitam o corte a espessuras relativamente baixas e materiais que 
apresentem baixa reflexão da luz. A refletividade, a condutividade térmica, calor 
específico e calor latente de fusão do material a usinar, são fatores que devem ser 
levados em consideração na usinagem por laser, já na usinagem por fluxo abrasivo estes 
fatos não interferem no processo de usinagem. 
 Na usinagem por laser há o surgimento de uma pequena camada termicamente 
afetada, já na usinagem por fluxo abrasivo isto não ocorre. 
 Também na usinagem por laser há a formação de produtos tóxicos (ácido 
clorídrico), no corte de PVC. 
 
 15 
Conclusão 
 
 
 
 Nos últimos 40 anos, mais de 20 processos industriais não convencionais 
diferentes foram inventados e posteriormente foram implementados em produção. A 
razão deste grande número de processos não convencionais é a mesma razão do grande 
número de processos convencionais; cada processo tem seus próprios atributos 
característicos e limitações, conseqüentemente nenhum processo é o melhor para todas 
as situações industriais. 
 16 
Bibliografia 
 
 
 
1 - BENEDICT, Gary F., Nontraditional Manufacturing Processes, Marcel Dekker, 
Inc. Printed in United States of America. 
 
2 - http://www.iwf.tu-berlin.de/fer/forschung/szulczynski/stroemi-e.html - acessado em 
07/09/2002. 
 
3 - http://www.extrudehone.com/afm.html - acessado em 07/09/2002. 
 
4 - http://www.extrudehone.com – acessado em 07/09/2002. 
 
5 - http://www.hontech.com.br/polimento.htm - acessado em 07/09/2002. 
 
6 - http://www.unl.edu/nmrc/afmf2.htm - acessado em 07/09/2002. 
 
7 - http://dem.ufpb.br/josinaldo/unt/index.htm - acessado em 07/09/2002. 
 
8 - www.cimm.com.br – acessado em 07/09/2002. 
 
http://www.iwf.tu-berlin.de/fer/forschung/szulczynski/stroemi-e.html%20-%2007/09/2002
http://www.iwf.tu-berlin.de/fer/forschung/szulczynski/stroemi-e.html%20-%2007/09/2002
http://www.extrudehone.com/afm.html
http://www.extrudehone.com/
http://www.hontech.com.br/polimento.htm
http://www.unl.edu/nmrc/afmf2.htm
http://dem.ufpb.br/josinaldo/unt/index.htm
http://www.cimm.com.br/