Processos especiais de usinagem Eletroerosão

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1 Processos especiais de usinagem Eletroerosão Definição: Eletroerosão é um processo de fabricação baseado em princípios de remoção por efeitos térmicos, que acontece em decorrência de carregamento elétrico não estacionário entre dois materiais condutores de eletricidade (peça e eletrodo) em um meio fluido (dielétrico). É utilizado: Materiais condutores de eletricidade; Materiais altamente duros (metal-duro; ligas metálicas com alta dureza); Pequena quantidade de peças e Peças de geometria complexa;

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3 Processo Eletroerosão é um processo que consiste na remoção de material da peça utilizando descargas elétricas como principal meio de usinagem. Esta técnica é caracterizadas pela aptidão do material de conduzir eletricidade (metais, carbetos, grafite, etc). O processo é composto por: Eletrodo Peça Dielétrico Eletricidade

4 Princípios do processo 1. Aproximação do eletrodo. Os dois estão eletrizados 2. Concentração do campo elétrico numa região de menor distância entre o eletrodo e a peça 3. Criação de um cana ionizado entre o eletrodo e a peça. 4. Fundição do material da peça. O material do eletrodo é pouco afetado 5. A corrente é cortada causando a explosão do canal. 6. Expulsão das partículas do material da peça com o dielétrico.

5 Fatores influentes Perturbações: Inomogêneidade do material da peça e do eletrodo; Sujeira; Temperatura;... Resultados do Processo: Tensão; Corrente; Altura da fenda;... Máquina: Controle dos eixos Lavação; Transporte do fio, eletrodo... Resultados de trabalho: Remoção; Desgaste; Qualidade. super; Integridade super. Parâmetros controláveis: Duração do pulso; Duração da pausa entre os pulsos Tensão; Avanço; Vazão do dielétrico. Estratégia: Máxima remoção; Mínimo desgaste; Alta qual. superf.; Mínima influência da integrid. super..

6 Características elétricas te - duração da descarga; td - tempo de retardo; ti - duração do impulso; to - tempo de intervalo. Desligar U e - tensão em aberto; Ue - tensão de descarga; U e - tensão de trabalho; Ie - corrente de descarga; I e - corrente de trabalho. Corrente Tensão Ligar

7 Eletrodo Características: Alta condutibilidade eletricidade e térmica (possibilitando grande taxa de remoção de material da peça com pouco desgaste da ferramenta); Resistência mecânica suficiente; Sem problemas de deformação térmica. Processos de fabricação: Fundição; Forjamento; Torneamento; Fresamento; Furação; etc. Materiais: Cobre eletrolítico e algumas ligas, alumínio, silício, latão, titânio, aço e grafite.

8 Dielétrico Funções: Isolar eletrodo e peça; Formar o canal de descarga; Remover as partículas erodidadas da fenda de trabalho; Refrigerar o local de trabalho. Principais tipos: Hidrocarbonetos (querosene, óleo de transformador) Água desmineralizada ;

9 Variantes do processo Eletroerosão a fio Eletroerosão por penetração

10 Otimização através de simulação do processo

11 Máquinas

12 Exemplos de aplicação

13 Campo de aplicação

14 Remoção química O princípio da remoção química se baseia numa reação química entre a peça e um agente químico, que deverá resultar em um produto volátil, solúvel ou de fácil remoção Corrosão ácida Exemplo: gravação química em vidro SiO HF SiF4 + 2 H 2 O Não condutor de eletricidade Meio reagente Produto de reação volátil água

15 Rebarbação termoquímica É um processo de fabricação utilizado para retirar rebarbas de peças metálicas ou não, utilizando o princípio de oxidação: 2H 2 + O 2 H 2 O + calor A energia liberada por essa reação pode alcançar de 2500 até 3500 C que proporciona uma reação química, a oxidação (queima) da rebarba com o oxigênio da câmara.

16 Exemplo: Câmara de rebarbação Câmara de mistura Vela de ignição Cilindros de mistura Rebarba do fresamento Rebarba qualquer Rebarba de furação Rebarba da entrada da broca Rebarba de roscamento Parede Canto vivo Processo Rebarba de retificação Peça Rebarba de fundição em peças de Al e Zi

17 Remoção eletroquímica O processo baseia-se na dissolução de uma peça metálica - como anodo (polo positivo) - em um meio condutor de eletricidade. O processo se classifica em: Remoção eletroquímica com fonte externa Remoção eletroquímica de formas (J>10 A/cm2) ex.: Gravação eletroquímica por imersão; Rebarbação eletroquímica Remoção eletroquímica de superfície (J>0,04-3 A/cm2) ex.: Polimento eletroquímico; Rebarbação em banho com fonte interna Gravação eletroquímica ex.: Gravação ácida

18 Princípio Avanço Gerador CC Ferramenta Solução eletrolítica Lama

19 Vantagens do processo Sua aplicação vem crescendo nos últimos anos em quase todas as áreas de fabricação em decorrência de: Erosão de materiais de difícil usinabilidade; confecção de formas geométricas complicadas; inexistência de desgaste decorrente do próprio processo; nenhuma influência térmica ou mecânica da estrutura da camada limite do material da peça; reprodutibilidade e elevada precisão; inexistência de rebarba; bom acabamento superficial da peça, mesmo para taxa de remoção elevada; elevada liberdade de projeto no que diz respeito à escolha do material e da geometria a ser reproduzida.

20 Fatores influentes Máquina Erro de posição do sistema máquinaferramenta Parâmetros controláveis Tensão Veloc. Avanço Pressão de entrada e saída Material do cátodo. Material Por exemplo: Características químicas Micro-estrutura Resultados de trabalho Precisão e qualidade superficial Eletrólito Tipo; Concentração Temperatura PH Grau de limpeza Geometria Por exemplo: Superfície Contorno Raio

21 Eletrólito Características: Tem como função conduzir os transportadores de carga e promover uma conversão eletroquímica nos eletrodos durante a eletrólise. Outras atribuições: Grande estabilidade química Pequena tendência à corrosão Neutralidade fisiológica. Tipos: Cloreto de sódio (NaCL); Soluções de nitratos (NaNO) Ácidos (H2SO4, HNO3, HCl)

22 Laser - Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation - Amplificação da luz pela emissão estimulada de radiação fonte: Isaias Massiero Filho. Dissertação de Mestrado: A utilização do laser para o corte de chapas finas de metais biocompatíves.

23 Princípio: - um feixe de luz (onda eletromagnética) coerente (de mesma fase) e monocromática (mesmo comprimento de onda) incide na superfície da peça aquecendo-a. - O fenômeno da emissão de fótons por átomos excitados ocorre de forma abundante na prática: um metal aquecido devido à excitação dos átomos pelo calor átomos de fósforo na tela de um cinescópio são excitados pelo feixe de elétrons incidentes para emitir luz. - O princípio do laser é baseado na sincronização da radiação estocástica emitida

24 1 - um átomo de uma determinada energia E incide sobre um átomo que está no estado fundamental. 2 - se a energia E do foton for exatamente igual à diferença entre a energia do estado excitado E2 e a energia do estado fundamental E1, o átomo absorve o fóton e passa do estado de menor para o estado de maior energia. Senão o fóton é absorvida. 3 o átomo excitado não fica muito tempo nesse estado, voltando ao estado fundamental.

25 Conceitos básicos Emissão espontânea fluorescência: não necessita de ajuda externa para passar do estado excitado para o fundamental Emissão estimulada: necessita de ajuda externa um foton provoca a emissão de um outro. Os dois são coerentes: mesma frequência, fase e polarização.

26 Princípio de funcionamento Amplificação da luz Principais componentes Meio amplificador Cavidade de ressonância Fonte de energia

27 Meio amplificador (meio ativo) É o meio onde a luz emitida e refletida pelos espelhos é amplificada. O meio ativo pode ser sólido (Ex.: Nd:YAG, Rubi), líquido (Ex.: Rhodamin 6G) ou gasoso (Ex.: CO2, HeNe, Excimer) O meio ativo determina o comprimento de onda do laser, e por consequência o menor diâmetro do feixe emergente - que é proporcional ao comprimento de onda

28 Cavidade de ressonância É formada por dois espelhos posicionados frente-a-frente, sendo que um dos espelhos reflete 100% da luz que nele incide e o outro permite a passagem de parte do feixe de luz. Entre os dois espelhos encontra-se o meio ativo.

29 Fonte de energia Fornece energia ao meio ativo para permitir a emissão estimulada. Dependendo do tipo de meio ativo utilizado são empregados como fonte de energia meios óticos, elétricos, químicos, etc. Como exemplo pode-se citar lâmpadas de flash ou arco, diodos laser e descargas elétricas diodo laser

30 Formação do feixe de laser na cavidade de ressonância Na fase inicial alguns elétrons são excitados, em decorrência da emissão espontânea fótons são emitidos em diferentes direções. Energia continua sendo fornecida ao meio amplificador, a emissão espontânea diminui e aumenta a estimulada Um feixe de laser suficientemente intensivo se consegue somente quando acontecem muitas emissões estimuladas continuamente. Fonte: Andreas Gebhardt, Laser Materialbearbeitung Grundlagen Verfahren Anwendungen. Skript zur Vorlesung

31 Regime de operação Um feixe laser pode ser contínuo ou pulsado, dependendo de suas características construtivas. Regime Contínuo (cw) Cortes em linha reta Alta carga térmica Regime Pulsado Menor carga térmica Melhor qualidade de superfície

32 Aplicações na indústria O laser encontra hoje uma miríade de aplicações nas mais diversas áreas. corte solda usinagem de cavidades tratamento de superfície metrologia assitência a usinagem de materiais de alta dureza ou endurecidos

33 Características e dados dos principais tipos de laser Tipo de laser Diodo He-Ne Excimer Nd:YAG CO2 Comprimento de onda Espectro ultra violeta ou feixe visível 1 W(cont.) 1 kw (puls) ~ 30% 632 nm Espectro ultra violeta 1,06 µ m 10,6 µ m até 50 mw (cont) ~1-3% até 30 MW (puls) ~1% 10W-40kW(cont) 1MW (puls) ~12% excitação do gás por uma corrente elétrica excitação do gás por uma corrente elétrica 20W-3kW(cont) 1MW (puls) ~3% (~15%) Lâmpada de flash flash de luz (diodo laser) Potência Eficiência Excitação Corrente contínua excitação do gás por uma corrente elétrica em alta frequência

34 Condução do feixe e movimentação peça/cabeçote Flying optics fibra ótica Movimento na peça Misto

35 O corte O processo

36 Corte por sublimação(vaporização) Gás inerte Alta concentração local de energia Passagem direta do estado sólido para o gasoso Madeira, papel, plásticos Normalmente anti-econômico para metais Corte por fusão Gás inerte Material é fundido e soprado da região de corte Superfície de corte levemente estriada Bem mais lento do que o corte por queima Um décimo da energia envolvida na vaporização

37 Corte por queima Gás reativo (O2) Temperatura de ignição Reação altamente exotérmica Energia aproveitada no processo Alta velocidade (maior velocidade = menor penetração do calor) Camada de óxido na superfície de corte - acabamento Óxidos de alto ponto de fusão no caso de materiais como o aço inoxidável e alumínio Óxido frágil no corte do titânio

38 Alguns parâmetros importantes do feixe: diâmetro do foco e modo energia polarização comprimento de onda de transporte: velocidade do corte posição do foco do gás velocidade do jato posição, forma e alinhamento do cabeçote composição (pureza) do material propriedades óticas propriedades térmicas

39 Exemplos de aplicações do corte com laser Foto: Chapa de aço inoxidável com espessura de 0,65 mm e largura do corte 198 µm Foto: Tubos de pequenas dimensões

40 Endurecimento superficial Caracterizado geralmente pela resistência ao desgaste ou dureza e espessura da camada endurecida No caso do laser: Maior dureza e resistência ao desgaste do que com outros métodos de endurecimento diversidade dos materiais que podem ser tratados tratamento localizado

41 Exemplos de superfícies tratadas termicamente pelo laser

42 Corte com jato d água Definição: Nos processos de corte com auxílio de um jato d água de alta pressão é aproveitada a ação erosiva do jato de água. As áreas de aplicação estão principalmente no trabalho de materiais plásticos, no corte de tapeçaria e tecidos, bem como na indústria alimentícia. A adição de materiais sólidos ao jato de água abre um outro campo de aplicação que permite cortar materiais metálicos, vidro e cerâmica.

43 Tubeira e cabeçote de mistura

44 Parâmetros ajustáveis Velocidade de avanço Diâmetro do bocal Fatores influentes Distância do bocal Pressão da bomba Diâmetro do jato Tempo de atuação Velocidade do jato Distrib. potência Energia local Comp. da fenda Qual. de canto Prof. da fenda Resistência ao corte Ductilidade Características do material Espessura do material

45 Vantagens do processo Atuação multidirecional de corte através da inclinação da tubeira; Pequena carregamento mecânica da peça; Nenhuma influência térmica da camada limite; Não existe a formação de pós, cavacos ou gases; Pequeno desgaste da ferramenta; Corte estreito.