COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO DO FLUIDO DIELÉTRICO VEGETAL COM MINERAL SINTÉTICO E QUEROSENE NA ELETROEROSÃO DO AÇO AISI H13

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1 5 V CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 14 a 17 de abril de 29 - Belo Horizonte - Minas Gerais - Brasil COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO DO FLUIDO DIELÉTRICO VEGETAL COM MINERAL SINTÉTICO E QUEROSENE NA ELETROEROSÃO DO AÇO AISI H13 Ernane Rodrigues da Silva, ernanerodrigues@gmail.com 1 Wisley Falco Sales, wisley.sales@gmail.com 2 Ernani Sales Palma, palma@pucminas.br 3 Rogério Felício dos Santos, rogeriodemariana@yahoo.com.br 4 1, 4 CEFET-MG, Av. Amazonas, 5253, Nova Suiça, CEP 348-, Belo Horizonte, MG. 2 FAACZ Faculdade de Aracruz, Aracruz, ES, Brasil. 3 PUC Minas, Av. Dom José Gaspar, 5, Coração Eucarístico, CEP , Belo Horizonte, MG. Resumo: Estudar o comportamento do fluido dielétrico usado no processo de usinagem não convencional de eletroerosão (EDM), especificamente um de origem vegetal para transformadores, foi o alvo deste trabalho de pesquisa. O mesmo foi comparado ao querosene e a um fluido mineral sintético, próprio para eletroerosão. Os três fluidos trabalharam nos regimes de acabamento, menos severo para superfície da peça usinada, que retira uma quantidade menor de material e conseqüentemente danifica menos sua superfície, ao contrário do regime de desbaste, que promove maiores danos com a maior retirada de material. Para atingir os regimes, os parâmetros da máquina foram ajustados de acordo com as especificações do manual do fabricante. Foram avaliados os aspectos que levam em conta a retirada de material de peça e ferramenta, como Taxas de Remoção de Material da peça, Desgaste da Ferramenta e Desgaste Volumétrico Relativo. A integridade das superfícies foi avaliada por meio de medições de rugosidade, micrografias e microscopias ótica e eletrônica de varredura. Os resultados foram expressos em gráficos, permitindo uma comparação visual do comportamento dos três fluidos dielétricos. No regime de desbaste, o fluido vegetal sintético promoveu uma maior retirada de material da peça, em comparação aos outros. No regime de acabamento a quantidade de material retirada pelo fluido vegetal foi menor que do mineral sintético e maior que do querosene. O desgaste da ferramenta ocorreu de forma acentuada com o fluido vegetal, em relação aos outros, nos dois regimes de trabalho. Os três fluidos produziram superfícies semelhantes, formação da zona branca fina no regime de acabamento e muito espessa no regime de desbaste. Micro-trincas e poros surgiram sobre as superfícies usinadas pelos três fluidos, bem como, partículas erodidas aderiram sobre as mesmas. Palavras-chave: EDM, fluidos dielétricos, vegetal, querosene, integridade superficial. 1. INTRODUÇÃO O processo de fabricação por descargas elétricas (Electrical Discharge Machining EDM), popularmente conhecido como eletroerosão, destaca-se entre os processos não-convencionais, devido a sua aplicação na confecção de peças em material com elevada dureza sem contato direto entre ferramenta e peça, que ficam submersas em um fluido dielétrico, durante a execução do corte, bem como na fabricação de peças de formas complexas e dimensões reduzidas (FULLER, 1989). Por muito tempo, o principal fluido dielétrico utilizado no processo foi o querosene. Porém, o mesmo é extremamente nocivo e prejudicial à saúde do operador, além de agredir e contaminar o meio ambiente. Devido a esses inconvenientes, o mesmo, foi substituído por óleos de origem mineral sintéticos nos países do primeiro mundo. É provável, que nas próximas décadas, o fluido mineral sintético também tenha que ser substituído, por um produto 1% biodegradável, não tóxico, com menor risco de acidentes no manuseio e armazenamento, protegendo assim, a saúde do operador da máquina, bem como o meio ambiente (ARAÚJO, 27). Uma solução possível seria o uso de óleo vegetal, que consiste de uma fonte renovável, outra vantagem, em comparação ao mineral sintético e ao querosene. O objetivo deste trabalho foi avaliar o desempenho do fluido dielétrico vegetal sintético para transformadores na usinagem de eletroerosão por penetração nos regimes de trabalho, acabamento e desbaste, do aço AISI H13, comparando-o ao comportamento de um fluido mineral sintético próprio para eletrorerosão e ao querosene. Quantificar a Taxa de Remoção de Material, a Taxa de Desgaste da Ferramenta, avaliar o Desgaste Volumétrico

2 V C o n gr e s s o B r a s il e ir o d e E n g e n har i a d e Fa br i ca ç ã o, 1 4 a 17 d e a br il de 2 9, B e l o H or i zonte M G Relativo entre ferramentas e amostras, medir a rugosidade das amostras usinadas nos regimes de acabamento, analisar a integridade das superfícies das amostras (alterações superficiais). 2. METODOLOGIA O trabalho de pesquisa foi realizado em uma máquina de eletroerosão por penetração, com três eixos de trabalho. Foram utilizados três tipos de fluidos dielétricos no experimento, um de origem mineral (querosene), outro mineral sintético e o terceiro de origem vegetal, também sintético, em amostras de aço AISI H13, confeccionadas no formato retangular de 1x2x25 milímetros para o regime de acabamento e 15x2x25mm, com um furo passante de 6 mm ao longo da espessura de 15 mm, para o regime de desbaste, ambas fresadas. Ferramenta de cobre eletrolítico no formato cilíndrico com diâmetro de 1,9 mm e comprimento inicial de 5 mm. Os regimes de trabalhos escolhidos foram obtidos de acordo com regulagem dos parâmetros estabelecidos pelo manual do fabricante da máquina, para a condição de eletroerosão de peça de aço com eletrodo ferramenta de cobre eletrolítico. O regime de acabamento é menos severo para superfície da peça usinada, pois, retira uma quantidade menor de material e conseqüentemente, provoca menor dano na superfície, ao contrário do regime de desbaste, que promove maiores danos com maior retirada de material. A Tab. (1) apresenta um quadro comparativo dos parâmetros para tais condições. Os trabalhos ocorreram em dois regimes com os três fluidos dielétricos, durante quatro tempos diferentes (5, 1, 15 e 2 minutos), repetidos sete vezes. TABELA 1. Parâmetros da máquina utilizados nos regimes de trabalho (ENGEMAQ, 22). Parâmetro Unidade Regime de trabalho Acabamento Desbaste Polaridade do eletrodo ferramenta + + Tensão V 1 1 Corrente A 6 3 T on (tempo de descarga) µs 1 5 TS (parâmetro da máquina relacionado com a corrente) 2 1 DT (relação entre o tempo de descarga e o de pausa) % Foi necessária uma adaptação no sistema de alimentação do fluido dielétrico da máquina que propiciasse uma troca ágil do fluido dielétrico, sem retirar todo o líquido armazenado no tanque da máquina. Foram utilizados apenas 3 litros de cada fluido durante a realização do experimento. O fluído dielétrico não foi captado diretamente do tanque da máquina, e sim, de um tanque auxiliar (com capacidade para aproximadamente 33 litros), posicionado na frente da máquina, por intermédio de uma bomba auxiliar de 1/8 CV e 38 RPM, como mostra a Fig. (1). Figura 1. Esquema da montagem do tanque e da cuba auxiliares na máquina.

3 V C o n gr e s s o B r a s il e ir o d e E n g e n har i a d e Fa br i ca ç ã o, 1 4 a 17 d e a br il de 2 9, B e l o H or i zonte M G A Fig. (2) ilustra um dispositivo para fixação das amostras, instalado dentro de uma cuba auxiliar, de maneira que durante o regime de trabalho de desbaste o furo para redução do tempo de usinagem permanecesse centrado com a ferramenta em todas as operações. Figura 2. Dispositivo para fixação das amostras durante a usinagem, instalado na cuba auxiliar. A Tab. 2 fornece alguns dados comparativos entre os três fluidos utilizados no experimento. TABELA 2. Quadro comparativo entre os fluidos dielétricos utilizados nos experimentos. Unidade Preço de aquisição U$/litro 1,5 2,5 4, Viscosidade cst 3,1 2,9 41 Densidade g/ml,76 a,82,78 a,81,92 3. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 3.1. Variação volumétrica da amostra (Taxa de Remoção de Material V w ) Caracterizada pela relação entre o volume de material removido da peça e o tempo de usinagem, quantificada pela Eq. (1). V w m (,785). t = [mm 3 / min] (1) onde: m = variação de massa [g]; t = tempo de usinagem [min]; e a constante,785 g/mm 3 corresponde ao peso específico do aço (AMORIM, 22). A Fig. (3) ilustra o volume de material removido das amostras, nos regimes de desbaste (a) e acabamento (b), durante os tempos de trabalho 5, 1, 15 e 2 minutos, com os três fluidos dielétricos utilizados nos experimentos. Taxa de Remoção de Material (V w) - Regime de Desbaste Taxa de Remoção de Material (V w) - Regime de Acabamento Volume de material removido da amostra (mm 3 ) Volume do material removido da amostra (mm 3 ) (a) (b) Figura 3. Gráficos da Taxa de Remoção de Material durante os regimes: desbaste (a) e acabamento (b).

4 V C o n gr e s s o B r a s il e ir o d e E n g e n har i a d e Fa br i ca ç ã o, 1 4 a 17 d e a br il de 2 9, B e l o H or i zonte M G Durante o regime de desbaste, o fluido vegetal sintético obteve melhor desempenho, comparado os outros dois fluidos dielétricos. O fluído mineral sintético e querosene mantiveram basicamente o mesmo comportamento, observa-se também, as curvas em ascensão, ou seja, quanto maior o tempo de usinagem, maior a quantidade de material removida, porém, de modo não proporcional. Provavelmente esse aumento acentuado da Taxa de Remoção de Material promovido pelo uso do fluido vegetal sintético deve-se a maior contaminação da fenda de trabalho, devido à dificuldade de retirada das partículas erodidas, devido ao alto valor da viscosidade. No regime de acabamento o comportamento do fluido mineral sintético foi melhor em relação aos demais. O querosene proporcionou uma Taxa de Remoção de Material, aparentemente proporcional, com o aumento do tempo de usinagem. Já o vegetal sintético, comportou-se muito bem com seus valores de Taxa de Remoção de Material próximos dos demais para os mesmos tempos, porém inferior à taxa do mineral sintético e ligeiramente superior à do querosene Variação volumétrica da ferramenta (Taxa de Desgaste da Ferramenta V e ) Representada pela relação entre o volume de material desgastado da ferramenta e o tempo de usinagem. Determinada pela Eq. (2). V e m (,889). t = [mm 3 / min] (2) onde: m = variação de massa [g]; t = tempo de usinagem [min]; e a constante,889 g/mm 3 corresponde ao peso específico do cobre eletrolítico (AMORIM, 22). A Fig. (3) ilustra a Taxa de Desgaste das Ferramentas nos regimes de desbaste (a) e acabamento (b), durante os tempos de trabalho 5, 1, 15 e 2 minutos, com os três fluidos dielétricos utilizados no experimento. Taxa de Desgaste (Ve) - Regime de Desbaste Taxa de Desgaste (V e) - Regime de Acabamento Volume de desgaste da ferramenta (mm 3 ) Volume de desgaste da ferramenta (mm 3 ),25,2,15,1, Figura 3. Gráficos da Taxa de Desgaste da Ferramenta durante os regimes: desbaste (a) e acabamento (b). Considerando-se a Taxa de Desgaste da Ferramenta no regime de desbaste o comportamento dos fluidos mineral sintético e querosene mantiveram-se equilibrados, já o vegetal sintético, promoveu um desgaste acentuado em relação os outros dois, mantendo o valor desse desgaste em forte ascensão. No regime de acabamento, observa-se um comportamento equilibrado do fluido vegetal sintético em relação ao demais, apesar de promover maior desgaste. Observa-se também que o querosene provocou menor desgaste da ferramenta, quando comparado aos demais Desgaste Volumétrico Relativo (ϑ) O Desgaste Volumétrico Relativo representa a relação de desgaste entre ferramenta e peça, dado pela razão entre V e e V w, Eq. (3), normalmente expressa em valores percentuais (AMORIM, 22). Ve ϑ =.1 [%] (3) V w A Fig. (4) ilustra o desgaste volumétrico relativo nos regimes de desbaste (a) e acabamento (b), durante os tempos de trabalho 5, 1, 15 e 2 minutos.

5 V C o n gr e s s o B r a s il e ir o d e E n g e n har i a d e Fa br i ca ç ã o, 1 4 a 17 d e a br il de 2 9, B e l o H or i zonte M G Desgaste relativo (ϑ) - Regime de Desbaste Desgaste Relativo (ϑ) - Regime de Acabamento Desgaste volumetrico relativo - Ve / VW (%) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Tempo de Usinagem (minutos) Desgate volumétrico relativo - Ve / VW (%) 2,5 2 1,5 1, Figura 4. Gráficos do Desgaste Volumétrico Relativo durante os regimes: desbaste (a) e acabamento (b). No regime de desbaste o fluido mineral sintético teve mesmo comportamento quando comparado ao querosene, o que pode ser observado devido aos valores dos Desgastes Volumétricos Relativos próximos. O vegetal sintético por sua vez sofreu um desgaste maior, mas acompanhando o desempenho dos outros em termos de redução deste valor ao longo do tempo. Observa-se que à medida que o tempo de usinagem aumenta o desgaste relativo diminui. No regime de acabamento, o fluido mineral sintético teve mesmo desempenho que o querosene, repetindo o comportamento do regime de desbaste, já o vegetal sintético manteve-se com maiores valores de desgaste relativo Rugosidade O gráfico da Fig. (5) ilustra o valor da rugosidade no fundo das superfícies das amostras usinadas durante o regime de acabamento. Rugosidade R a no Regime de Acabamento 6 5 Valor de Ra (µm) Figura 5. Gráfico comparativo do valor da rugosidade R a no regime de acabamento. O fluido mineral sintético promoveu o menor valor de rugosidade, durante esse regime de trabalho, em todos os tempos, quando comparado os outros fluidos, com um R a próximo de 2,8 µm, contra 3,6 µm do vegetal sintético, seguido de 4,8 µm do querosene, como mostra a figura Morfologia da superfície da cavidade A Fig. (6) ilustra a seção transversal das superfícies usinadas no regime de acabamento com os três fluidos, querosene (a), mineral sintético (b) e vegetal sintético (c).

6 V C o n gr e s s o B r a s il e ir o d e E n g e n har i a d e Fa br i ca ç ã o, 1 4 a 17 d e a br il de 2 9, B e l o H or i zonte M G Micro-trinca Micro-trinca Micro-trinca 1 µm 1 µm 1 µm (a) (b) (c) Figura 6. Zona branca produzida pela eletroerosão no regime de trabalho de acabamento. Nota-se a formação da zona branca, destacada em todas as três situações, com um tamanho de aproximadamente 8 µm para as três condições, bem como o comportamento uniforme dessa ao longo da superfície. Ocorreu o surgimento de micro-trincas nas amostras usinadas com os três tipos de fluidos. A Fig. (7) ilustra a seção transversal das superfícies usinadas no regime de desbaste com os três fluidos, querosene (a), mineral sintético (b) e vegetal sintético (c). Micro-trinca Micro-trinca Micro-trinca 1 µm 1 µm 1 µm (a) (b) (c) Figura 7. Zona branca produzida pela eletroerosão no regime de trabalho de desbaste. Observa-se agora que a espessura média é de aproximadamente 3 µm com comportamento não uniforme, ou seja, em algumas regiões a zona branca aparece quebrada, diferente do regime de acabamento. Os três fluidos produziram zonas brancas aparentemente semelhantes nos dois regimes de trabalho, pouco espessa e constante no regime de acabamento e muito espessa e não uniforme no regime de desbaste. A Fig. (8) ilustra as superfícies das amostras usinadas no regime de acabamento, vistas de cima, com auxílio de microscopia eletrônica de varredura, com os três fluidos, querosene (a), mineral sintético (b) e vegetal sintético (c). (a) (b) (c) Figura 8. Vista de cima da superfície usinada no regime de trabalho de acabamento.

7 V C o n gr e s s o B r a s il e ir o d e E n g e n har i a d e Fa br i ca ç ã o, 1 4 a 17 d e a br il de 2 9, B e l o H or i zonte M G Em todas as situações sugiram trincas superficiais e poros, além do acúmulo de partículas erodidas aderidas sobre as superfícies. As superfícies geradas com os fluidos de origem vegetal sintético e mineral sintético são parecidas quanto à formação das crateras. As superfícies produzidas com fluido vegetal e com o querosene são muito parecidas, nelas ocorreram mais micro-trincas comparadas com o fluido mineral sintético. A Fig. (9) ilustra as superfícies das amostras usinadas no regime de desbaste, vistas de cima, com auxílio de microscopia eletrônica de varredura, com os três fluidos, querosene (a), mineral sintético (b) e vegetal sintético (c). (a) (b) (c) Figura 9. Vista de cima da superfície usinada no regime de trabalho de desbaste. No regime de desbaste, aparentemente uma quantidade maior de partículas ficaram aderidas na superfície usinada, principalmente no fluido vegetal sintético, surgiram também, micro-trincas e poros, como ocorreu no regime de acabamento. 4. CONCLUSÕES O fluido vegetal sintético apresentou Taxa de Remoção de Material mais alta que os outros fluidos, no regime de desbaste. Já no regime de acabamento essa taxa ficou com valor baixo em relação aos outros dois fluidos. A Taxa de Desgaste da Ferramenta, para os dois regimes de trabalho, ficou maior nas ferramentas usadas na eletroerosão com fluido vegetal sintético. Comparando-se querosene e mineral sintético, seus valores mantiveram-se bem próximos. Como conseqüência da alta taxa de desgaste, tanto no regime de desbaste como acabamento, o Desgaste Volumétrico Relativo das peças usinadas com o fluído vegetal sintético foi maior quando comparado com os outros dois fluidos. No regime de acabamento, a rugosidade medida no fundo da cavidade usinada com fluido mineral sintético promoveu melhor acabamento, já que, seu valor de rugosidade ficou menor em relação ao vegetal sintético seguido do querosene. Com relação à formação de zona branca, poros e micro-trincas, os três fluidos comportaram de maneira bem parecida, tanto durante o regime de acabamento, com formação da zona branca com espessura de aproximadamente 8 µm, como na condição de desbaste com espessura de 3 µm, aproximadamente. Ocorreram formações de microtrincas e poros nas amostras usinadas com os três fluidos. Partículas erodidas aderiram-se sobre as superfícies usinadas com os três fluidos nos regimes de acabamento e desbaste aproximadamente na mesma proporção, exceto na superfície usinada com fluido vegetal sintético durante o regime de desbaste. Aparentemente ocorreu maior aderência de partículas erodidas, como mostrado na microscopia eletrônica de varredura. 5. AGRADECIMENTOS À FAPEMIG, pela liberação de recursos para aquisição da máquina de eletroerosão e de material de consumo, por meio do projeto TEC 798/25. Ao CNPq pelo auxílio financeiro aos pesquisadores. 6. REFERÊNCIAS Araújo, Daniel C. P et al. As vantagens da revitalização de transformadores de potência utilizando repotenciação e óleo vegetal. Disponível em: < Acesso em: 1 mar. 27. Amorim, F. L., 22, Tecnologia de eletroerosão por penetração da liga de alumínio AMP 8 e da liga de cobre CuBe para ferramentas de moldagem de materiais plásticos, Doutorado, tese, Universidade Federal de Santa Catarina UFSC, Florianópolis. Engemaq, 22, Manual de instalação, operação e manutenção da máquina EDM 44 NC, Agie Charmilles Ltda, Caxias do Sul, 95 p. Fuller, John E., 1989, Electrical Discharge Machining, Metals Handbook, Vol.16, pp

8 V C o n gr e s s o B r a s il e ir o d e E n g e n har i a d e Fa br i ca ç ã o, 1 4 a 17 d e a br il de 2 9, B e l o H or i zonte M G 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho. COMPARISON OF THE PERFORMANCE BETWEEN VEGETAL DIELECTRIC FLUID, SYNTHETIC MINERAL AND KEROSENE IN THE ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING (EDM) OF THE STEEL AISI H13 Abstract: Studying the behavior of the dielectric fluid used in the process of non-conventional machining of electrical discharge machining (EDM) was the objective of this study, specifically one plant origin fluid for transformer. The same was compared to a kerosene and synthetic mineral fluid, fit for EDM. The three worked in systems of finish, less severe for surface of the machining piece since, withdrawing a quantity less of material and consequently less damage its surface, unlike the regime of thinning, which promotes greater damage, with the largest withdrawal of material. To achieve the schemes, the parameters of the machine were adjusted in accordance with the specifications of the manufacturer s manual. They were evaluated aspects that take into account the removal of material of electrodes piece and tool, as removal rates of material and wear. Through microscopy optical and electron-scan, was assessed the integrity of the surface. The results were expressed in tables and charts, allowing for visual comparison of the behavior of the three dielectric fluids. In the regime of thinning, the fluid plant synthetic was the promoter of greater withdrawal of the piece of material, compared to others. In the regime of finishing, the fluid plant synthetic was the promoter of less withdrawal of the piece of material, compared to others. The wear of the tool was greater with the vegetal fluid, compared with other, in the two schemes work. The fluids produced similar layers, the training of thin white layers in the scheme of finish and very thick in scheme thinning. There were micro-cracks, pore and particle uprooted joined in the surface. Key words: EDM, dielectric fluid, vegetal, kerosene, superficial integrity.