NOTAS DE AULAS - X. Disciplina: Manutenção Mecânica

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1 Abr/203 Módulo: Processo de Fabricação X PROCESSOS DE USINAGEM ESPECIAIS. Usinagens Especiais são processos de usinagem alternativos, que consistem da remoção de material, porém não executados de forma tradicional (fresagem, torneamento, furação, etc). Estes processos, no geral, utilizam-se de ferramentas de geometria não-definida aliada a fenômenos físicos e químicos, para conformar peças com o arrancamento de material. Podemos citar alguns destes processos, como: Usinagem por Eletroerosão; Usinagem por Jato de Água; Usinagem por Arco Plasma; Usinagem por Ultra som; Usinagem a LASER; Polimento; Eletropolimento; Jateamento; Tamboreamento; Usinagem Química (ou Quimo-erosão).. Usinagem por Eletroerosão. No processo de usinagem por eletroerosão, a peça sofre um desgaste devido à passagem de uma corrente elétrica contínua, em forma de descargas constantes (arcos voltaicos), que erodem as moléculas do material (ferroso ou não) através do rompimento da ligação entre elas. Para ocorrer a eletroerosão é necessário, além do material, um eletrodo e um fluído dielétrico (isolante) para que o circuito esteja aberto e haja as descargas. Durante o processo são formadas bolhas de gás resultante da vaporização do dielétrico. A eletroerosão é normalmente indicada para processos onde exige-se a usinagem de peças complexas, com geometrias irregulares, ou em materiais de alta dureza, com ponto de fusão bem definido, de difícil usinagem por processos convencionais. Ela é limitada pela necessidade desses materiais serem condutores de eletricidade independentes de serem metálicos ou não. Processo. Aplicando-se uma diferença de potencial (em corrente contínua) entre duas placas condutoras de eletricidade, chamadas de eletrodo e peça, separadas por uma pequena distância (de 0,02mm a 0,050mm) denominada GAP, ocorrem descargas elétricas entre elas. Na verdade, neste espaço entre a peça e o eletrodo, circula o fluído dielétrico que se torna eletrolítico na forma gasosa, no instante de iniciação do arco voltaico. Prof. L.C.Simei Página

2 Abr/203 No instante da descarga elétrica, o eletrodo e a peça não estão em contato devido ao meio dielétrico que os envolve. Ao iniciar o ciclo de erosão, na pequena região de descarga elétrica, a potência despendida por unidade de área pode chegar até 000 W/m², e a temperatura até C, assim o fluido dielétrico evaporará, tornando-se eletrolítico e no meio gasoso a pressão poderá alcançar as marcas de até 200 atm. Essa descarga elétrica durará alguns milionésimos de segundo. Este período é denominado de Ton. Cessada a descarga elétrica, inicia-se, por alguns milionésimos de segundo, o período que ocorrerá a emersão dos gases eletrolíticos, denominado período Toff. Desse modo, os espaços ocupados pelo gás serão preenchidos pelo fluido dielétrico em temperatura muito menor que a região em usinagem, assim, com o choque térmico, ocorrerá na região em questão uma micro deformação por contração, e essa, responsável pela desagregação das partículas que se uniam a peça, dando início ao processo de usinagem ou corte. Existem basicamente 2 (dois) tipos de processos de eletroerosão: Eletroerosão Por Penetração e Eletroerosão a Fio. Eletroerosão por Penetração. Consiste em um processo onde a peça permanece submersa em um líquido (dielétrico) e, portanto, há rápida dissipação do calor gerado no processo. Não existe força de corte, pois não há contato entre a ferramenta e a peça. Por isso não se formam as tensões comuns dos processos convencionais de usinagem, onde o arrancamento de material se faz pelo atrito da ferramenta de corte com a peça. O processo de eletroerosão por penetração tem como características o fato de a imagem do eletrodo ser transferida a peça (impressão de um negativo), por este motivo sua grande aplicação em moldes e matrizes de impressão. No processo de usinagem por eletroerosão a peça e eletrodo são mergulhados num recipiente que contém fluído não condutor de eletricidade (Dielétrico). A peça e eletrodo estão ligados a uma fonte CC, através de cabos ligados a um interruptor. Geralmente, o eletrodo tem polaridade positiva (+) e a peça polaridade negativa (-). Ligado o interruptor, forma-se uma tensão elétrica entre o eletrodo e a peça. No início, não há passagem de corrente, tampouco a formação de arcos, já que o dielétrico atua como isolante. Aproxima-se o eletrodo da peça, a uma distância determinada. Isto faz com que o dielétrico passe a atuar como condutor, formando uma ponte de íons entre o eletrodo e a peça. Produz-se, então, uma centelha (faísca) que superaquece a superfície do material dentro do campo de descarga, fundindo-a. Estima-se que, dependendo da intensidade da corrente, a temperatura na região da faísca possa variar de C à C. Prof. L.C.Simei Página 2

3 Abr/203 O processo de erosão ocorre simultaneamente na peça e no eletrodo, sendo que o calor maior ficará com a peça, e consequentemente nesta se fará o maior dano. A passagem de corrente é interrompida pelo afastamento do eletrodo. O ciclo recomeça com a reaproximação do eletrodo, provocando uma nova descarga. Figura. Detalhe de um Processo de Eletroerosão por Penetração. Aplicações: Figura 2. Detalhe de uma Erosão por um Eletrodo de Eletroerosão. Indústria automotiva. Indústria de gravação e estampagem Metais de elevada dureza Peças com geometria complexa Indústria de moldes e matrizes Prof. L.C.Simei Página 3

4 Abr/203 Eletroerosão a fio. Os princípios da eletroerosão a fio são semelhantes aos da eletroerosão por penetração, porém, neste processo, um fio (eletrodo) eletricamente carregado, atravessa a peça submersa em fluido dielétrico, em movimentos constantes, provocando descargas elétricas entre o fio e a peça, cortando o material. Para permitir a passagem do fio, é feito um pequeno orifício no material a ser usinado. O corte a fio é programado por computador (CNC), o que permite o corte de perfis complexos e com exatidão. Tem como vantagens a ausência de forças de corte e tensões comuns dos processos convencionais de usinagem, pois não há contato físico entre o fio e peça, a rápida dissipação de calor, pelo fato de a peça permanecer submersa em líquido e a dureza do material da peça não tem efeito negativo na velocidade de corte. Aplicações: Confecção de matrizes, fieiras para trefilação e micro EDM; Fabricação de ferramentas de metal duro; Confecção de placas de guia e porta-punções; Trabalhos em materiais muito duros e de difícil usinagem pelos processos tradicionais. Eletrodos. Figura 3. Detalhe de um Processo de Eletroerosão a Fio. Em princípio, todos os materiais condutores de eletricidade podem ser usados como eletrodo. Mas como o preço de confecção do eletrodo representa uma parcela significativa nos custos do Prof. L.C.Simei Página 4

5 Abr/203 processo, é importante escolher com cuidado o material a ser utilizado e o método de usinagem. Os melhores materiais para eletrodos são os que têm elevados pontos de fusão e são bons condutores de eletricidade. São divididos em 2 (duas) categorias: Metálicos: os mais utilizados são o cobre eletrolítico, o cobre-tungstênio e o cobre sinterizado. Têm ótimo acabamento e mínimo desgaste durante o processo. Não-metálicos: grafite (principal). Fácil usinagem, mas muito quebradiço. Conservam suas qualidades mecânicas a altas temperaturas, praticamente não se deformam e são leves. Porém são abrasivos e não podem ser moldados ou conformados. Fluidos Dielétricos. Os fluidos mais utilizados são: o óleo mineral, o óleo sintético, a água deionizada e o querosene. O querosene requer cuidados especiais, pois é inflamável e exala um odor forte, prejudicial à saúde e ao ambiente. Em função de legislações ambientais, e com a proibição em muitos estados e países, o querosene passa a ser abolido em grande parte dos processos industriais. Os óleos sintéticos e minerais, são sem sombra de dúvida o mais utilizados, dado a razões de custo, facilidade na manipulação e menor agressão ao operador e ao meio ambiente. Os dielétricos têm como principais características controlar a potência de abertura da descarga elétrica, lavagem do GAP (vazio entre a peça e o eletrodo) e proporcionar a refrigeração das superfícies de contato. A limpeza do GAP é muito importante para o rendimento do processo, pois retira as partículas removidas durante o processo. Uma vez que estas partículas acumularem, haverá diminuição da resistência e formação de descargas elétricas anormais, prejudicando o processo. A limpeza pode ser realizada de diversas formas. Dentre elas estão: Limpeza por injeção um jato do mesmo dielétrico é injetado por meio do eletrodo (num eletrodo previamente projetado com canal de injeção), agindo sobre a superfície erodida, expulsando o material erodido; Limpeza por aspiração um sugador é posicionado na peça, ou região próxima, qual retira os detritos da erosão, encaminhando-os a um filtro; Limpeza por jato lateral é posicionado um jato, na região lateral da peça x eletrodo, qual lança uma torrente do mesmo fluído dielétrico, expulsando os detritos erodidos; 2. Usinagem a Jato de Água. Prof. L.C.Simei Página 5

6 Abr/203 Desde os primórdios o homem busca na utilização de recursos naturais para satisfazer as suas necessidades laborais. Dentre os recursos naturais em maior abundância, a água tem-se mostrado uma grande aliada nessa busca. Em 968, Norman C. Franz da Universidade de Columbia (EUA) patenteou um sistema de corte com água pressurizada. Inicialmente, o processo era utilizado para corte de madeiras, sendo que a introdução de materiais abrasivos e o desenvolvimento de sistemas de pressurização e bicos, tornou o processo aplicável a quase todos os materiais de uso industrial. O corte com jato de água (em inglês Jet-Cutting Water) é uma das variedades a hidrodemolição, que consiste no corte de materiais com água a extrema pressão, combinando esta pressão com a incorporação de algum material abrasivo, tais como: o carborundum (carbeto de silício), o coríndon ou a sílica. Processo. Esta técnica consiste na projeção sobre a superfície do material ser cortado de um jato de água a uma pressão entre e bar, com um fluxo de água entre 20 e 40 l.p.m., incorporando por efeito Venturi um abrasivo ao jato de água Figura 4. Detalhe de um Processo de Jet-Cutting Water. A água pressurizada, ao entrar em contato com a peça/material, cria uma onda de choque, qual podemos definir como uma erosão contínua. Na medida em que a água pressurizada avança sobre a superfície, e por consequente a espessura, o material é arrancado e direcionado a mesa. Prof. L.C.Simei Página 6

7 Abr/203 A máquina é composta por um sistema de bombeamento e pressurização, dotado de bombas alternativas de pistões, de alta tecnologia, que elevam a pressão da água até 4000 bar, e a direcionam a um sistema de controle e direcionamento. A máquina é composta ainda por: sistema de coordenadas CNC, computador CNC, sistema de filtragem da água, cabeçote de corte, câmara de mistura, sistema alimentador de abrasivos e bico de corte (esquicho). A grande vantagem deste processo, é que não há limitação quanto ao tipo de material a ser cortado, já que a mesma máquina pode cortar placas de elastômeros, plásticos, chapas de aço e madeira. A limitação se dá na densidade e dureza do material, onde que quanto mais denso e duro o material, menor é sua espessura útil para o corte com o jato. Variáveis que afetam o corte por jato de água com abrasivo Vários fatores influenciam o corte por jato de água com abrasivo: Pressão A pressão determina o nível de energia das moléculas de água. Quanto maior a pressão, mais fácil fica vencer a força de coesão das moléculas do material que se pretende cortar. Fluxo O fluxo de água determina o índice de remoção do material. Há dois modos de aumentar o fluxo de água: aumentando a pressão da água ou aumentando o diâmetro do orifício da safira. Diâmetro do jato O diâmetro do bico de corte para sistemas de corte por água pura varia de 0,5 mm a 2,5 mm. Jatos de diâmetros menores também podem ser produzidos, para aplicações específicas. Para o corte de papel, o diâmetro do jato é de 0,07 mm. Quando se trata do corte por jato de água e abrasivo, os menores diâmetros situam-se em torno de 0,5 mm. Abrasivo A velocidade de corte do sistema é aumentada quando se aumenta o tamanho da granulação do abrasivo. Em compensação, abrasivos com menores tamanhos de grãos produzem uma superfície cortada com melhor qualidade. Porém, partículas muito finas de abrasivo são praticamente ineficientes. Quanto mais duro for o abrasivo, mais rapidamente se desgasta o bico de corte. Fluxos elevados de abrasivos também aceleram o desgaste do bico de corte. O fluxo alto de abrasivos acarreta um custo operacional elevado, pois o custo do abrasivo representa uma parcela importante no custo total dos sistemas de corte por jato de água. Distância e velocidade de corte À medida que sai do bico, o jato de água se abre. O jato de água com abrasivo apresenta maior abertura, por ser menos uniforme. Isso explica porque a distância entre o bico e o material é sempre muito pequena, abaixo de,5 mm. A abertura do jato pode ser reduzida, com a diminuição da velocidade de saída do fluido, com conseqüente diminuição da velocidade de corte. Prof. L.C.Simei Página 7

8 Abr/203 Figura 5. Máquina de Corte Jet-Cutting Water, CNC. 3. Usinagem por Plasma (Arco Livre e Tocha de Plasma). Desde os mais tenros tempos de estudos, aprendemos que existiam 3 (três) estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. Em exemplo, usando uma das mais conhecidas substâncias, a água (H 2 O), estes estados são caracterizados como: gelo, água e vapor. Quando a energia, como calor, é aplicada ao gelo, o gelo se derrete se tornando água, e quando for aplicada maior energia ela se evapora, e vice-versa.. A água se transforma do estado sólido, gelo, para o estado líquido, água. Quando mais energia é aplicada à água, a água vaporiza tornando-se vapor. A água (H2O) muda do estado líquido, água, para o estado gasoso, vapor (H 2 & O 2 ). Finalmente, quando calor é aplicado aos gases, estes gases ionizam. Os gases agora são eletricamente condutores e este estado da matéria é chamado plasma. A figura abaixo mostra esquematicamente esta seqüência. Figura 6. Os Diferentes Estados da Matéria. Prof. L.C.Simei Página 8

9 Abr/203 O constantemente denominado 4º estado da matéria é chamado PLASMA. Este gás ionizado com propriedades é a base fundamental em que todos os sistemas plasma operam. Corte a plasma é uma técnica de corte de chapas metálicas ou outros materiais, onde o corte ocorre através de um processo similar à Soldagem por arco elétrico com gás de proteção. Desde sua invenção na metade da década de 50, o processo de corte por plasma incorporou várias tecnologias e se mantém como um dos principais métodos de corte de metais. Porém, até poucos anos atrás, o processo detinha uma reputação duvidosa na indústria de corte de metais devido ao elevado consumo dos itens componentes do sistema, o ângulo de corte e a inconsistência do processo. Os recentes desenvolvimentos agrupando tecnologias em sistemas de cortes manuais e mecanizados proporcionaram um marco importante na história do corte plasma. Os plasmas manuais mais modernos são equipados com sistema de jato coaxial de ar, que constringe ainda mais o plasma, permitindo um corte mais rápido e com menos ângulo. O projeto de escuto frontal permite ao operador apoiar a tocha na peça mesmo em correntes elevadas na ordem de 00A. Nos sistemas mecanizados, utilizados principalmente em manipuladores XYZ comandados por controle numérico, foram incorporam tecnologias que aumentam a consistência do processo e prolongam a vida útil dos componentes consumíveis através de um controle mais eficiente dos gases e do sistema de refrigeração respectivamente. O processo de corte plasma, tanto manual como mecanizado ganhou espaço considerado na indústria do corte de metais. Mesmo descontado o crescimento desta indústria, a participação do corte plasma teve substancial ampliação devido a sua aplicação em substituição ao processo oxi-corte, em chapas grossas, e ao LASER em chapas finas ou de metais não ferrosos. O processo de corte plasma foi criado na década de 50 e tornou-se muito utilizado na indústria devido sua capacidade de cortar qualquer metal condutor de eletricidade principalmente os metais não ferrosos que não podem ser cortados pelo processo oxi-corte. O processo consiste na utilização do calor liberado por uma coluna de plasma, resultante do aquecimento por mais de um arco elétrico - de um gás, em alta vazão rotacional. Este plasma é transferido ao metal a ser cortado. A parte do metal se funde pelo calor do plasma e este metal é expulso com auxílio do gás em alta vazão. Em 968 surge a primeira grande inovação, a injeção de água entre o bico e um bocal frontal, com o objetivo de ampliar a vida útil dos consumíveis e na qualidade de corte. Em 983 torna-se industrialmente viável a utilização do plasma com oxigênio para materiais ferrosos. Com o oxigênio como gás de plasma o calor do processo provém de duas fontes: a do plasma e da reação exotérmica da oxidação do ferro. A resultante é um aumento considerável de velocidade e qualidade de corte. Em 989 lança-se o bocal protetor eletricamente isolado que minimiza a formação de arco duplo e aumenta a vida útil dos consumíveis. Para melhorar a vida útil dos consumíveis, principalmente nos processos com o uso do oxigênio como gás de plasma, em 990 são incorporadas seqüências lógicas nos sistemas plasma com ajustes específicos de corrente e vazão e pressão de gás nos intervalos de início e final de corte, conhecido como tecnologia Long Life. Esta tecnologia conta ainda com o aprimoramento do projeto do eletrodo. Com um inserto de háfnio de menor diâmetro, amplia-se a capacidade de refrigeração do eletrodo. Nesta mesma época surge o plasma de alta definição que revoluciona o processo plasma e o torna aplicável em peças com maiores Prof. L.C.Simei Página 9

10 Abr/203 exigências de qualidade de corte. O processo utiliza um orifício reduzido no bico e um canal extra para saída de excesso de gás plasma resultando num corte praticamente sem chanfro e sem geração de escória. Em 993 é lançado o processo com jato de ar auxiliar aplicado co-axialmente ao jato de plasma. Esta força de constrição aumenta a eficiência do jato proporcionando um aumento de velocidade e redução do ângulo de corte. Em 2004 são incorporadas novas tecnologias ao processo plasma de alta definição com o objetivo de melhorar o desempenho e consistência do processo. O resultado foi a criação do processo HyPerformance ou plasma de alto desempenho. Com todo este avanço tecnológico, o plasma torna-se um dos processos mais importantes na indústria do corte do país. Atualmente o plasma vem sendo usado tanto para acompanhar o crescimento da indústria, bem como na substituição de processos mais lentos ou com maiores custos operacionais. Figura 7. Detalhe de um Bico de Corte Arco Plasma Comum. Prof. L.C.Simei Página 0

11 Abr/203 Figura 8. Detalhe de um Bico de Corte Arco Plasma Com Água. A principal vantagem deste sistema reside na sua redução do risco de deformação devido à compactação térmica da zona de corte. Economia é também o valioso gás aplicável, uma vez que, a priori, é possível também, embora você não deve atacar o eletrodo ou a peça. Não é aconselhável utilizar o cortador de plasma em pequenos pedaços, devido à temperatura é tão elevada que a peça de trabalho torna-se deformado. Esta tecnologia moderna é utilizável para o corte de qualquer material metálico condutor, e mais especialmente em aço estrutural, aço inoxidável e metais não ferrosos. Corte a plasma pode ser um processo complementar para trabalhos especiais, tais como a produção de pequenas séries, atingindo tolerâncias apertadas ou acabamentos melhorados. Existe também um material de baixo térmica afetado pela concentração de alta energia do arco de plasma. Processo. O início do corte é praticamente instantâneo e produz uma deformação mínima da peça de trabalho. Este processo permite a usinagem em altas velocidades de corte e menos tempo de inatividade ocorre, (sem pré-aquecimento é necessário para perfuração). Permite corte espessuras de 0,5 a 60 mm, com unidades de plasma até 000 Amperes. De corte de plasma também permite que o aço estrutural usinado posa ser chanfrado com até 30 milímetros. Uma das características mais notáveis é a alta qualidade e acabamento do corte. Prof. L.C.Simei Página

12 Abr/203 Figura 9. Detalhe de um Corte Manual a Arco Plasma. Corte por Plasma em um Centro de Usinagem CNC. Os equipamentos necessários para fornecer esta energia é um gerador de alta freqüência alimentado por eletricidade, gás para gerar a temperatura da chama, e mais tarde para ionizar (argônio, hidrogênio, nitrogênio), um porta-eletrodo e eletrodo, dependendo do gás que pode ser tungstênio, háfnio ou zircônio, e, claro, a peça de trabalho. Figura 0. Máquina de Corte Arco Plasma CNC. Prof. L.C.Simei Página 2

13 Abr/203 Figura. Tabela com os Tipos de Gases e Particularidades dos Processos. 4. Usinagem por Ultra-som A usinagem por ultrassom é um processo que permite executar penetrações de formas variadas em materiais duros, frágeis e quebradiços, como o vidro, a cerâmica e o diamante, que dificilmente seriam obtidas pelos processos convencionais. Processo. Na usinagem por ultrassom, uma ferramenta é posta para vibrar sobre uma peça mergulhada em um meio líquido, com pó abrasivo em suspensão, numa frequência que pode variar de 20 khz a 00 khz. Prof. L.C.Simei Página 3

14 Abr/203 O martelamento produzido pelas vibrações é capaz de erodir o material, formando uma cavidade com a forma negativa da ferramenta, isto é, sua impressão. Não há contato entre a ferramenta e a peça, já que as ondas ultrassônicas viajam e se propagam no espaço entre a ferramenta e a peça, e com o auxilio do liquido que os circundam. A ferramenta não precisa ser muito dura, podendo ser feita de material fácil de usinar, uma vez que não entra em contato com a peça. Uma variação desse processo de usinagem é obtida com o uso de uma ferramenta rotativa, que aumenta a capacidade de remoção do material erodido. Quando conjugado com uma mesa do tipo CNC, o equipamento com ferramenta rotativa possibilita a obtenção de figuras complexas, por contorneamento. O processo de usinagem por ultra-som aproveita a energia de vibração mecânica, mecânica comunicada aos grãos de abrasivo, que vibram na mesma direção do sonotrodo. Sonotrodo. O sonotrodo é sonotrodo constituído por uma barra metálica, na qual se ativam as vibrações ultra-sonoras, no sentido do seu eixo. Na ponta do sonotrodo é fixada a ferramenta, com a forma inversa da que se deseja dar à peça a ser usinada. As vibrações mecânicas só se propagam através de um meio material, nunca no vazio. Essas vibrações transmitem-se por excitação das moléculas, que oscilam ao redor de sua posição de repouso. Figura 2. Partes de Um Conjunto Sonotrodo e Ferramenta. Prof. L.C.Simei Página 4

15 Abr/203 Figura 3. Diversos Tipos de Ferramentas e Sonotrodos. Um ponto em oscilação, partindo de uma posição extrema e voltando a esta posição, completa um ciclo e ciclo tem uma amplitude (A) determinada. O número de ciclos efetuados por unidade de tempo, ou freqüência das oscilações, é uma característica essencial das vibrações. A amplitude é dada pelo máximo afastamento do ponto em relação a sua posição de equilíbrio. Figura 4. Gráfico com de Um Ultra-som. O conjunto de vibrações locais e sua propagação formam uma onda de vibrações. As ondas se propagam através dos materiais a uma velocidade constante. Esta velocidade depende da natureza do material e do tipo de onda considerado. Para as aplicações industriais, as ondas longitudinais são as mais utilizadas. Prof. L.C.Simei Página 5

16 Abr/203 Geração dos Ultra-sons. A maior parte dos corpos materiais possui certas propriedades elásticas. Isto quer dizer que, se uma parte do corpo é forçada além de sua posição natural, a reação do corpo tende a trazer esta parte de volta para o seu lugar. Produz-se, assim, um movimento de oscilação comparável ao de um pêndulo de mola. Cada corpo tem uma freqüência própria de vibração. A produção dos ultra-sons utiliza essa capacidade de vibração que os corpos apresentam. Uma das formas possíveis de produzir ultra-som vale-se do efeito Joule magnético, também conhecido como magnetostrição. Magnetostrição. Na máquina de ultra-som para usinagem, a parte mais importante da cabeça ultra-sonora, que funciona segundo o princípio da magnetostrição, é constituída por uma haste em liga de níquel, que é envolvida por uma bobina, percorrida por uma corrente de alta freqüência. O campo magnético gerado pela passagem da corrente através da bobina provoca a vibração da haste metálica, no sentido do eixo. Esta haste encontra-se em um banho de óleo, que é resfriado por uma serpentina em cobre, na qual circula água. O efeito assim obtido é muito pequeno, mas pode ser aumentado desde que se consiga produzir a vibração em ressonância com as vibrações próprias da barra. Características do Equipamento. Uma máquina de ultra-som para usinagem é constituída, basicamente, pelos seguintes componentes: a) Um gerador de um gerador corrente de baixa freqüência; b) Um conversor eletroacústico que consiste de um transdutor eletroacústico, isto é, um dispositivo que transforma as oscilações elétricas em ondas ultra-sonoras; c) Um amplificador, um amplificador feito geralmente de titânio, que tem por função transmitir e aumentar as amplitudes das vibrações do transdutor sobre o qual está fixado; d) Uma ferramenta de usinagem, uma ferramenta de usinagem facilmente intercambiável, que pode ser oca ou maciça. O conjunto é montado sobre uma guia de precisão, que se desloca verticalmente, sem jogo nem atrito, e é equilibrado por um sistema de contrapeso. O equipamento inclui um dispositivo de regulagem de pressão sobre a peça a ser usinada, montado na parte exterior da máquina. Nas máquinas mais antigas, um relógio comparador de leitura direta permitia controlar permanentemente a profundidade de penetração da ferramenta. Atualmente, esse controle é feito por sistemas eletrônicos. Prof. L.C.Simei Página 6

17 Abr/203 A peça a ser usinada é fixada sobre o tanque de abrasivo que pode ser adaptado a uma mesa de coordenadas, com movimentos comandados por um micrômetro. Este conjunto é centralizado sob a ferramenta. Como abrasivo pode-se utilizar: o carbeto de boro, carbeto de silício, óxido de alumínio ou diamante em pó, com tamanhos de grãos variando entre 0,5 mm e 0,002 mm. O material abrasivo deve ser, no mínimo, tão duro quanto a peça usinada. Mesmo assim, parte do próprio abrasivo acaba sendo erodida durante a usinagem, de modo que a área de usinagem deve ser continuamente alimentada por um suprimento adicional de grãos. Este procedimento contribui para resfriar a suspensão durante a usinagem e facilita a remoção do material erodido. Prof. L.C.Simei Página 7

18 Abr/203 Figura 5. Máquina de Usinagem por Ultra-som. Considerações Sobre a Usinagem Por Ultra-Som A usinagem por ultra-som permite cortes limpos, porque as vibrações ultra-sônicas produzem a fusão do material e, ao mesmo tempo, soldam as pontas das fibras cortadas. Embora furos, ranhuras e formas irregulares possam ser usinadas por ultra- som em qualquer material, pesquisadores sugerem que o processo seja aplicado, preferencialmente, em materiais duros e quebradiços, envolvendo áreas de superfícies inferiores a 000 mm2, onde devem ser produzidas cavidades rasas e cortes. Em outras palavras, a usinagem por ultra-som, assim como outros métodos de usinagem, também tem suas limitações e representa um vasto campo a ser pesquisado e aperfeiçoado. 5. Usinagem por LASER. Figura 6. Usinagem por Ultra-som. A palavra LASER é n verdade uma sigla de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que em português significa: Luz Amplificada Pela Emissão Estimulada de Radiação. O corte a LASER é um processo que se dá através da estimulação molecular e da posterior transmissão das moléculas para níveis mais baixos de energia (o esfriamento do material por um meio ativo, sendo ele sólido, líquido ou gasoso). Prof. L.C.Simei Página 8

19 Abr/203 Inicialmente, ocorre a estimulação radioativa da luz, que é amplificada, produzindo um potente feixe de luz. Ao ser aplicado, esse feixe (que é energia luminosa concentrada em um raio único) irá alterar a composição molecular de uma superfície estável (ou seja, do material a ser trabalhado), possibilitando, então, o corte perfeito dessa superfície (seguido da etapa de esfriamento). Geralmente, em um processo de corte a LASER típico, são focados de 000 a 2000 watts de energia potência suficiente para efetuar o corte nos materiais mais usuais (o processo trabalha uma variedade grande de materiais). A profundidade de corte atingida fica em torno dos 20 mm. Dentre as muitas vantagens oferecidas, é importante destacar que o corte a LASER é um processo que aumenta a qualidade da produção, sendo recomendado para os projetos que exigem medidas e padrões exatos (que geralmente não seriam atingidos com a utilização de ferramentas convencionais). Figura 7. Esquema e Funcionamento de um Bico de Corte LASER. Prof. L.C.Simei Página 9

20 Abr/203 Figura 8. Bicos de Corte em Funcionamento no Corte LASER. Em 905, Albert Einstein, com o auxílio do trabalho de Max Planck, postulou que a luz é formada por pacotes discretos e bem determinados de energia (quanta, plural de quantum, em latim), mais tarde chamados de fótons. Em 93 o dinamarquês Niels Bohr apresentou seu modelo de átomo, onde os elétrons orbitam o núcleo em níveis bem determinados, sendo que só podem "saltar" de um nível para outro se receberem ou emitirem fótons com a quantidade de energia (que pode ser expressa pelo seu comprimento de onda) exata, exigida para o salto completo. Em 925, Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg modificaram a forma de se interpretar o modelo de átomo de Bohr, postulando que os elétrons são partículas que apresentam propriedades de ondas, cujo comportamento pode ser totalmente explicado pelas funções de onda, desenvolvidas por Schrödinger, que preveem, inclusive, os diferentes níveis que o elétron pode assumir, no átomo, e as exatas energias associadas. Isso significa que cada tipo determinado de átomo pode ser excitado (ter a energia de seu último elétron aumentada, com um conseqüente salto desse elétron, para determinado nível superior) sempre em quantidades bem definidas, através da absorção de um tipo determinado de fóton, de comprimento de onda específico. Em 953, Charles Hard Townes, James P. Gordon e Herbert J. Zeiger produziam a primeira MASER (Microwave Amplification Through Stimulated Emission of Radiation), um dispositivo similar ao LASER, que produz microondas, em vez de luz visível. O MASER de Townes não tinha capacidade de emitir as ondas de forma continua. Nikolai Basov e Aleksander Prokhorov, da União Soviética, ganhadores do Prêmio Nobel em 964, trabalharam de forma independente, em um oscilador quantum e resolveram o problema da emissão Prof. L.C.Simei Página 20

21 Abr/203 continua, utilizando duas fontes de energia, com níveis diferentes. Mais tarde, o MASER foi adaptado para emitir luz visível, então batizado de LASER. Figura 9. Exemplo de um Corte de um Perfil Metálico pelo Processo de Corte a LASER. Processo. A máquina de corte a LASER é um equipamento que utiliza alta tecnologia. Ela funciona integrada a um sistema CAD/CAM. Nesse sistema, desenvolve-se um minucioso projeto; depois, é tomado como guia um arquivo do desenho do projeto, que será executado no material trabalhado. O processo é rápido e eficiente, não demandando o desenvolvimento de matrizes. Para que o corte seja executado, um forte gerador produz um raio que é encaminhado para a cabeça de corte, que direciona o feixe de LASER por um caminho ótico (definido através de espelhos ajustáveis). O raio, que até então apresentava baixa densidade de energia, atravessa uma lente de foco que ajusta a intensidade e o tamanho do feixe. Na seqüência, é adicionada uma substância gasosa (dependendo do tipo de LASER), e o feixe focado passa a apresentar uma alta densidade de energia. Finalmente, o feixe é convergido sobre o material a ser trabalhado, quando, então, é efetuado o corte (a densidade energética do feixe derrete o material na linha de corte). Gases assistentes auxiliam a máquina de corte a LASER na secagem da peça trabalhada. Em pouquíssimo tempo (milésimos de segundo) a máquina de corte a LASER executa o trabalho. O sistema permite que projetos complexos, cheios de detalhes e ângulos difíceis, sejam realizados de forma perfeita. Prof. L.C.Simei Página 2

22 Abr/203 Figura 20. Mesa de Corte de uma Máquina de Corte a LASER. Corte a LASER de Chapas. Diversos materiais podem ser trabalhados pelas máquinas de corte a LASER, como as chapas de alumínio, aço-carbono, inox, ferro etc. Cada material demanda condições diferenciadas no processo de corte, como veremos a seguir. No caso do aço-carbono, as máquinas de corte a LASER são capazes de cortar chapas de até 20 mm de espessura. A tolerância é bem menor (no máximo 0, 6 mm) quando a chapa é de alumínio, pois este material apresenta forte tendência de empastamento e de reflexão da luz (dificuldade de concentração de energia). Os aços não ligados são facilmente trabalhados pelo corte a LASER, especialmente nos processos que utilizam o oxigênio como gás de assistência. No resultado final, percebe-se que a qualidade do corte é boa, apresentando pequenas larguras de corte e bordas retas (sem rebarbas e livres de óxidos). Já no caso dos aços inoxidáveis, o corte de chapas muito espessas não é possível, mas as chapas finas, ao serem cortadas, apresentam excelentes resultados. Os aços-ferramenta são difíceis de cortar através dos métodos convencionais (devido ao alto teor de carbono), porém, quando cortados a LASER, tendem a apresentar boa qualidade de superfície. O cobre (e suas ligas), ao ser cortado, também apresenta a tendência de refletir a luz (assim como o alumínio). O titânio (e suas ligas) pode ser cortado a LASER e exige que a zona de Prof. L.C.Simei Página 22

23 Abr/203 corte sofra a proteção de um gás inerte (CO 2, He, N 2 ), para que seja evitada a oxidação pelo ar é importante que um gás inerte também seja injetado na face posterior do corte, para auxiliar na eliminação das gotas aderentes de metal fundido. Corte a LASER em Metais Diversos. O corte a LASER pode ser aplicado diversos tipos de materiais, como: acrílico, madeira, MDF, couro, papel, plástico, aço carbono, aço inox, alumínio, etc. No caso específico do corte industrial, atualmente existem dois tipos de LASER, o CO 2 e o YAG, que podem ser empregados em diferentes materiais. Será pontuada, a seguir, a relação destes LASERs com o corte de metal. O LASER CO 2 (o mais empregado no corte industrial) utiliza os seguintes gases: Hélio (He), Nitrogênio (N 2 ) e o Dióxido de Carbono (CO 2 ). O gás CO 2 é empregado na emissão do LASER, o N 2 na excitação e o He na etapa do esfriamento. Com a utilização do CO 2, viabiliza-se um processo de corte a LASER versátil, pois ele pode trabalhar materiais metálicos e não metálicos com alta velocidade e facilidade de controle. Porém, no caso de material refletivo (alumínio, por exemplo), o LASER CO 2 enfrenta dificuldades de corte (dependendo da espessura a ser trabalhada). Entre os materiais metálicos cortados pelo LASER CO 2, estão os metais sem liga ou de liga leve, o aço inox, a liga de níquel, o titânio (e suas ligas) e o alumínio (e suas ligas; considerando-se o problema da refletividade). Já o LASER YAG é distribuído através de uma barra sólida de alumínio, ou por meio de alguma outra matriz sólida, como o rubi. Ele pode ser YAG Contínuo (se comporta da mesma maneira que o CO 2 ), ou YAG Pulsado (tem velocidade de corte mais lenta e possibilita um trabalho perfeito com os metais reflexivos). A vantagem da utilização do YAG no corte a LASER é que a onda é bem absorvida por materiais metálicos, característica que acaba contornando o problema da refletividade de alguns materiais (como o alumínio). Dentre os metais trabalhados pelo LASER YAG estão o aço inox, o alumínio e suas ligas, entre outros. Prof. L.C.Simei Página 23

24 Abr/203 Figura 2. Diferentes Tipos de Materiais Sendo Cortados pelo Processo de Corte a LASER. 6. Polimento. Polir é um processo mecânico de acabamento de uma peça que visa tornar sua superfície lisa e de aparência espelhada. O polimento, portanto, propicia boa qualidade de acabamento de um produto final. Numa superfície cortada com ferramenta podemos perceber as marcas de usinagem sob a forma de estrias. Essas estrias, que são formadas pela ferramenta de corte, convencional ou por rebolo, recebem o nome de rugosidades que podem ser medidas e consideradas em termos de qualidade de acabamento. A operação de polir tem as seguintes finalidades: Prof. L.C.Simei Página 24

25 Abr/203 Processo. Dar, a qualquer superfície, acabamento de boa apresentação, espelhado, sem que a superfície precise ter precisão de formas e de medidas; Criar uma camada superficial de proteção da peça, impedindo a ação corrosiva de ácido, de certos sais químicos, ferrugem etc.; Preparar peças a serem submetidas a operações de revestimento superficial por galvanoplastia, como niquelagem e cromagem. Depois dessas operações, melhorar o aspecto da superfície, dando às peças niqueladas ou cromadas um brilho mais vivo. Geralmente, o polimento é feito por uma ferramenta na for ma de um disco ou conjunto de discos, revestidos com substâncias abrasivas. Podem também ser utilizados lixas ou bastões abrasivos. O disco abrasivo pode ser de madeira, feltro ou tecido. Estes materiais impregnados de pasta ou pó abrasivo agem como o rebolo, por meio de suas superfícies cilíndricas ou planas. Os discos abrasivos são feitos de material semi-rígido (feltro aglomerado) ou muito flexível (flanela). O abrasivo que os recobre é colado ou fixado com adesivo. O polimento pode ser radial e axial. No polimento radial apóia-se o disco abrasivo sobre a peça a ser polida e o disco gira em grande velocidade: aproximadamente, 45 a 50 m/s ou 2700 a 3000 m/min. Figura 22. Politriz Axial. Prof. L.C.Simei Página 25

26 Abr/203 Figura 23. Politriz Radial. Nesse contato, a superfície da peça vai se desgastando até ficar homogênea e lisa. No polimento axial, o disco abrasivo gira sobre um eixo, em contato com a superfície a ser polida. Neste caso, o disco abrasivo acompanha a superfície da peça por movimentos de plasticidade ou elasticidade. Durante o contato da ferramenta com a peça, a superfície desta é desgastada e vai sendo polida pela ferramenta, de acordo com a granulação abrasiva. Uma superfície de exatidão dimensional é sempre polida, o que se obtém por retificação, rodagem e superacabamento. Por exemplo, o bloco-padrão. Outra aplicação do polimento é na confecção de moldes plásticos. Também pode ser polida qualquer superfície que não necessite de exatidão dimensional. Por exemplo: punho de manivela, volante de comando, que posteriormente são cromados. Prof. L.C.Simei Página 26

27 Abr/203 Polimento manual O polimento manual é realizado com lixas, pó ou bastão abrasivos que possuem granulação finíssima. Este processo é muito empregado na confecção de moldes plásticos. Os moldes plásticos têm cavidades que moldam a peça que se deseja produzir. Para essa peça apresentar uma superfície lisa, a cavidade de injeção deve ser polida tanto para atender a este primeiro caso como para facilitar o fluxo de plástico ou material a ser injetado no molde. Por ser um processo manual, esse polimento requer uma dedicação muito grande do polidor, além de um senso crítico de qualidade, pois depende dele boa parte da qualidade do produto final. 7. Eletropolimento. Eletropolimento é um processo eletrolítico de interesse de muitos, pois sua capacidade de melhorar as propriedades do material de uma peça de trabalho se adiciona à alteração controlada de suas dimensões físicas. A quantidade de alteração do metal depende basicamente do próprio metal e como ele foi processado até chegar ao eletropolimento. A maioria dos metais podem ser eletropolidos, porém devido as suas características, o aço inoxidável é a liga mais freqüentemente eletropolida, especialmente da classe 300, que são normalmente utilizados nas indústrias de processo. Histórico A primeira referência ao eletropolimento ocorreu em 92 quando o governo Imperial da Alemanha publicou uma patente para o acabamento de prata em uma solução de cianeto. Experimentos adicionais com o processo continuaram, mas o próximo avanço significativo não foi feito até 935 quando o cobre foi eletropolido com sucesso. O salto seguinte foi seguido por novos desenvolvimentos em 936 e 937, quando o Dr. Charles Faust e outros descobriram soluções para eletropolimento de aços inoxidáveis e outros metais. Durante a II Guerra Mundial, intensas pesquisas e desenvolvimento de processo por cientistas Aliados produziram um número substancial de novas fórmulas e resultados. Dados desses projetos foram publicados durante o período pós-guerra em centenas de artigos descrevendo as aplicações do eletropolimento e sua base teórica. Dezenas de novas patentes foram registradas entre 940 e 955. Aplicações importantes foram desenvolvidas pelos militares durante a II Guerra Mundial e o conflito Coreano. Atualmente, o eletropolimento está sendo redescoberto como um substituto do acabamento mecânico. Além de produzir uma superfície mais lisa, é um modo mais visível de se obter brilho, nivelamento, passivação, alívio de estresse e, sobretudo, de melhorar as características físicas da maioria dos metais e ligas. Processo. O eletropolimento é a remoção eletroquímica de metal de uma superfície de trabalho em uma solução eletrolítica altamente iônica por meio de um potenciais e corrente elétricos, onde a peça ser tratada é conectada ao pólo positivo de uma fonte de energia DC., enquanto é imerso Prof. L.C.Simei Página 27

28 Abr/203 em um eletrólito adequado (Figura 24). O eletropolimento opera anodicamente e é, em uma descrição menos técnica do processo, o inverso da eletrodeposição. A remoção de metal ocorre preferencialmente nos picos do perfil da superfície resultando em um nivelamento e alisamento do micro-perfil enquanto a forma macro da superfície não é alterada. Figura 24. Célula de Elretropolimento. A aplicação do eletropolimento em superfícies de aços inoxidáveis resulta na formação de um filme anódico sobre a mesma; ocorrendo a difusão dos íons dissolvidos do metal através desse filme. Os pontos altos das irregularidades superficiais (picos), ou áreas de alta densidade de corrente, são seletivamente removidos numa velocidade maior do que o restante da superfície (vales). No curso do eletropolimento, a peça de trabalho é manipulada para controlar a quantidade de remoção de metal de maneira que o polimento possa ser realizado e, ao mesmo tempo, tolerâncias dimensionais serem mantidas. O eletropolimento literalmente disseca o cristal do metal átomo por átomo, com rápido ataque nas áreas de alta densidade de corrente e menos ataque nas áreas de baixa densidade de corrente. O resultado é uma redução geral do perfil da superfície com um nivelamento e abrilhantamento da superfície do metal. Este nivelamento geralmente produz um acabamento brilhante reflexivo, mas somente uma pequena quantidade de metal (30-40 µm) é removida. Superfícies, por mais perfeitas que sejam, apresentam particularidades que são herança do método empregado em sua obtenção, por exemplo: torneamento, fresamento, retífica, lixamento, polimento, etc. As superfícies assim produzidas, apresentam-se como um conjunto de irregularidades, com espaçamento regular ou irregular e que tendem a formar um padrão ou textura característica em sua extensão, podendo ser analisadas segundo suas características químicas e mecânicas (composição, dureza, tensões) e suas características geométricas, as quais podem ser classificadas da seguinte maneira: desvios de medida, desvios de posição, desvios de forma, ondulação e rugosidade (DIN 4760)(figura ao lado). Cada superfície contém todos estes desvios, pois é impossível produzir superfícies perfeitas. Prof. L.C.Simei Página 28

29 Abr/203 Tais superfícies apresentam como já foi visto, erros de diferentes magnitudes, e sua caracterização é possível através de meios ou técnicas bem diferentes, sendo que para facilitar seu estudo, se dividem em dois grandes grupos, que são: erros macro geométricos, chamados também erros de forma ou textura secundária, e que incluem entre eles, divergências de ondulação, ovalização, multifacetamento, conicidade, cilindricidade, planicidade, etc. e que são passíveis de medição através de instrumentação adequada, como micrômetros, comparadores, projetores de perfil, etc. e erros micro geométricos, conhecidos como erros de rugosidade ou de textura primária, que é formada por sulcos ou marcas deixadas pelo agente que atacou a superfície no processo de fabricação (ferramenta, rebolo, partículas abrasivas, ação química, etc.), e se encontra superposta a um perfil de ondulação, provocada por deficiência nos movimentos da máquina, deformação no tratamento térmico, tensões residuais do trabalho mecânico. Para o segmento das indústrias de processo, os erros micro geométricos possivelmente sejam o grande problema, pois são compostos basicamente da ondulação e da rugosidade, sendo esta última um fator que prejudica em muito o desempenho de superfícies de componentes e equipamentos industriais. Figura 25. Esquematização do Processo de Elretropolimento. No caso de ligas de aço inox, um efeito importante é causado pelas diferenças de quantidade de remoção dos componentes da liga. Por exemplo, átomos de ferro e níquel são mais facilmente extraídos do retículo cristalino do que os átomos de cromo. O processo de eletropolimento remove o ferro e o níquel preferencialmente, deixando uma camada superficial acentuada consistindo de óxido de cromo resistente à corrosão. Este fenômeno divulga a importante propriedade de "passivação" das superfícies eletropolidas. Prof. L.C.Simei Página 29

30 Abr/203 O eletropolimento no aço inoxidável pode ser realizado por 2 (dois) métodos bem distintos, a saber: Por banho: A peça ou equipamento é mergulhado dentro de um banho (um tanque com solução eletrolítica) onde por passagem de corrente elétrica retificada entre a peça e um catodo ocorre a remoção eletrolítica (eletropolimento). Localizado ou seletivo: O eletropolimento é processado através de um dispositivo (caneta) que se movimenta na superfície do equipamento, sem a necessidade do mesmo estar imerso em um banho, onde o dispositivo faz o papel do catodo e a superfície do equipamento a ser eletropolido o anodo. Aplicações Atualmente, o eletropolimento está sendo aplicado com sucesso em uma larga faixa de novas aplicações: Tubos/Tubulações Válvulas Conexões Chapas de Metal Selos Rotores Soldas Fundidos Arames Forjados Fixadores Extratores Maiores benefícios do eletropolimento continuam sendo demonstrados em vasos reatores, trocadores de calor, misturadores, tanques de estocagem, tubulações e tubos, equipamentos de processamento de bebidas, alimentos e salas limpas, equipamentos médicos, peças usinadas e aplicações nucleares. 8. Jateamento. O jateamento é uma técnica de tratamento superficial por impacto, o qual se pode obter um excelente grau de limpeza e simultaneamente um correto acabamento superficial. Este processo em geral é usado para: Limpeza de peças fundidas, ferrosas e não ferrosas, forjadas, etc; Decapagem mecânica de arames, barras, chapas, etc; Shot-Peening (aumenta a resistência à fadiga de molas, elásticos, engrenagem, etc); Prof. L.C.Simei Página 30

31 Abr/203 Limpeza e preparação de superfície, onde será aplicado revestimento posterior; De forma geral, podemos dizer que o jateamento é o bombardeio de partículas abrasivas a alta velocidade (65 0 m/seg.), que após o impacto com a peça remove os contaminantes da superfície. Até a década de 30, o jateamento era realizado somente com bicos de ar comprimido. Hoje esta técnica é mais utilizada para certos trabalhos como a manutenção de estruturas armadas. O jateamento em linha de produção, com alta produção e de forma automática, foi possível com o desenvolvimento de turbinas centrífugas de jateamento. Este sistema é muito mais produtivo se comparado com bicos de ar comprimido, alem de se obter uma melhor uniformidade na preparação superficial. O tipo de material, o tamanho, a forma, as condições da superfície a ser limpa e a especificação do acabamento superficial, tem influência direta quanto a seleção do sistema de jateamento, do abrasivo e a definição do procedimento. Existem casos que podem ser necessários outros métodos de limpeza, antes e depois do jateamento para obter melhores resultados nos revestimentos O primeiro processo de jateamento abrasivo foi patenteado por Benjamin Chew Tilghman em 8 de Outubro de 870, e servia para criar desenhos em pedras, sobretudo colocação de nomes em pedras tumulares. Como método de preparação de superfícies apenas começou a ser usado a partir dos anos 30 do século XX, tendo apenas se tornado como método padrão a partir da segunda guerra mundial, quando a marinha americana concluiu que a pintura de um navio possuía uma durabilidade muito maior se a superfície fosse jateada com jato abrasivo. O Jateamento abrasivo é o método considerado mais eficiente e aquele que promove a melhor limpeza para posterior pintura em superfícies metálicas. Em certo tipo de revestimento (Tintas ricas em Zinco ou Metalização) é mesmo o único método de limpeza de superfícies admissível. Vantagens/Benefícios Redução nos custos de produção; Melhor condição de inspeção e pintura; Aumento da vida útil das ferramentas; Melhoria nos processos de soldagem; Menor poluição interna. Remoção de Contaminantes Este processo é utilizado em: Peças fundidas para remoção de areia, rebarbas e carepas de fundição (camadas espessas de óxidos depositadas sobre a superfície de um metal); Prof. L.C.Simei Página 3