PROCESSOS NÃO CONVENCIONAIS DE USINAGEM

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1 TÉCNICO EM MECÂNICA Módulo 3 PROCESSOS NÃO CONVENCIONAIS DE USINAGEM USINAGEM COM JATO D ÁGUA - Usinagem com Jato d Água - Usinagem por Ultrassom Prof. Almir Turazi, Dr.Eng. 2017/1 USINAGEM COM JATO D ÁGUA USINAGEM COM JATO D ÁGUA Tecnologia relativamente recente. Final dos anos 60 - primeira patente de um sistema de corte que utilizava água a uma pressão elevada corte por jato de água sob pressão (WJM) foi desenvolvido para cortar materiais metálicos e nãometálicos o processo para cortar metais foi modificado, com a adição de abrasivos (AWJM), entre os quais se destacam as partículas de sílica e de granada. *Desde a sua comercialização, no início dos anos 80, o jato de água com abrasivo vem sendo aceito como ferramenta de corte por um número cada vez maior de indústrias, incluindo as aeroespaciais, nucleares, fundições, automobilísticas, de pedras ornamentais, de vidros e de construção.

2 USINAGEM COM JATO D ÁGUA USINAGEM COM JATO D ÁGUA Este processo enquadra-se no grupo de remoção mecânica, onde a força de impacto exercida por um jato de água em alta pressão secciona o material com auxílio de grãos abrasivos. USINAGEM COM JATO D ÁGUA Alta pressão (60 Ksi) Jato estreito (1 mm ou menos de diâmetro) Com ou sem adição de abrasivos. Bom acabamento. Sem modificação no material por calor. Geralmente por CNC. Funcionamento do JATO D ÁGUA 1 Tratamento da água: A água precisa ser filtrada, para ficar livre de impurezas que poderiam ocasionar entupimento dos bicos de corte. Essas impurezas podem afetar o desempenho e a manutenção do sistema de alta pressão. 2 Elevação da pressão da água: Bombas bastante poderosas elevam a pressão da água a aproximadamente bar, ou seja, cerca de vezes a pressão atmosférica ao nível do mar. *Uma mangueira de incêncio possui pressão de 50 bar.

3 Funcionamento do JATO D ÁGUA Funcionamento do JATO D ÁGUA 3 Armazenamento: A água pressurizada é armazenada num acumulador, que regulariza o fluxo de saída do fluido. 4 Conversão de pressão em velocidade: A pressão é convertida em velocidade através de um minúsculo orifício de pedras preciosas (normalmente safira, que é um material com elevada resistência ao desgaste). Este orifício cria um fluxo tão pequeno como um fio de cabelo, e que pode cortar materiais leves. Funcionamento do JATO D ÁGUA Funcionamento do JATO D ÁGUA 5 Agregação de material abrasivo: Acoplado ao bocal, existe um reservatório contendo material abrasivo em pó. Assim, a água, ao passar pelo bocal, arrasta o material abrasivo, o que faz o jato, agora formado por uma mistura de água e abrasivo, ter uma potência de corte maior. Aumento do poder de corte em vezes. A água e o abrasivo saem do cabeçote de corte com até quatro vezes a velocidade do som, capaz de cortar aço com até 30 centímetros.

4 Funcionamento do JATO D ÁGUA Funcionamento do JATO D ÁGUA 6 Corte do material: O jato com alta pressão é expelido pelo bocal em direção ao material. O corte ocorre quando a força do jato supera a resistência à compressão do material. Um sistema de movimentação permite manipular o jato em torno da peça. Esses movimentos são realizados por motores elétricos controlados por computador. Outra possibilidade de corte é a movimentação manual da peça sobre uma mesa estacionária onde passa um jato vertical de água. Funcionamento do JATO D ÁGUA 7 Coleta e descarte da água: Após atravessar o material, o jato de água é amortecido num tanque, contendo água e esferas de aço ou pedras britadas, que fica sob a mesa do equipamento. Em alguns equipamentos, a água é armazenada em uma unidade coletora móvel. A limpeza regular do tanque de água é tarefa que não oferece perigo nem para o operador, nem para o meio ambiente. USO DE ABRASIVOS Finalidade: Cortar metais e outros materiais duros * 90% do corte é feito pelo abrasivo e não pela água. O abrasivo produz uma ação de cisalhamento que permite cortar materiais de grande dureza até a espessura de 152,4 mm. O sistema de corte com jato de água e abrasivo produz um jato cortante mais potente. Esse jato deixa o cabeçote de corte através de um tubo de misturação, feito de material cerâmico, como a safira.

5 USO DE ABRASIVOS USO DE ABRASIVOS Os modelos mais recentes de misturadores incorporam aperfeiçoamentos que possibilitam a manutenção da largura do corte constante, durante todo um turno de trabalho, o que confere grande confiabilidade ao sistema de corte por jato de água e abrasivo. S A configuração das instalações para corte com jato d água pode ser subdividida em três blocos funcionais: - bomba de alta pressão; - instalação de corte; - estação de filtragem. Sistemas podem ser manuais ou automatizados. S Sistemas manuais: trabalham em posições fixas, nos quais o movimento é feito pelo operador. Dois tipos de controle de movimentação manual: 1) o operador guia o sistema de corte e a recepção do jato sobre uma peça é mantida fixa; 2) o operador guia a peça sobre uma mesa em torno de um jato que é mantido fixo.

6 S Sistemas automáticos: podem ser instalados em robôs de 5 ou 6 eixos, utilizados para fazer perfis complexos. Mais comum são as mesas X-Y, controladas por CNC. Nesse sistema, a peça é normalmente colocada sobre um tanque, que receberá o jato de água após o corte. Durante a operação o material cortado não vibra e não sofre deslocamentos e todos os movimentos são realizados pelo cabeçote. S Utilização de tanques cheios de água para absorver a energia do jato depois do corte do material. Para cortes feitos no sentido vertical, ou próximo do vertical, são usados tanques com fundo coberto por pedras britadas. Em sistemas de 5 eixos, normalmente é necessário utilizar um recipiente móvel, que se movimenta junto com o cabeçote de corte. Esse recipiente é parcialmente cheio com esferas de aço inoxidável ou de cerâmica, que absorvem e dissipam a força do jato. S S

7 VARIÁVEIS DO PROCESSO 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. VARIÁVEIS DO PROCESSO 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 VARIÁVEIS DO PROCESSO Maior tamanho dos abrasivos = Maior velocidade de corte Menores tamanhos = Superfície com melhor qualidade *Partículas muito finas de abrasivo são ineficientes. Exemplos: granada, sílica, óxido de alumínio, metal duro granulado e nitrato de silício. Abrasivo VARIÁVEIS DO PROCESSO Para usinar materiais cerâmicos muito duros podem ser usados abrasivos à base de carbeto de boro. Quanto mais duro for o abrasivo e maior o fluxo, mais rapidamente se desgasta o bico de corte. Fluxo alto 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.

8 VARIÁVEIS DO PROCESSO Efeito da Vc 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 1,5 mm. *A abertura do jato pode ser reduzida, com a diminuição da velocidade de saída do fluido, com conseqüente diminuição da velocidade de corte. VANTAGENS Não produz problemas de efeito térmico como ocorre em muitos outros processos de corte. VANTAGENS É uma tecnologia limpa, que não polui o meio ambiente. É aplicável a uma vasta gama de materiais, permitindo fazer o corte em qualquer direção e nas mais variadas formas.

9 VANTAGENS É a tecnologia ideal para cortar certos materiais duros, como placas blindadas ou alguns materiais cerâmicos, que normalmente levam a grande desgaste de ferramentas nos sistemas de corte tradicionais. Pode ser aplicado sem problemas a materiais do tipo sanduíches de múltiplas camadas, como laminados de madeira sem produzir delaminação. DESVANTAGENS Velocidade do processo: muito menor que os sistemas de corte com chama, encarecendo o processo. O abrasivo escolhido deve ser mais duro que o material que irá cortar. Chapas de metal de pequena espessura tendem a sofrer esforços de dobramento, apresentando rebarbas na face de saída.

10 DESVANTAGENS JATO D ÁGUA X PLASMA Materiais cerâmicos têm sua resistência diminuída após o corte com jato de água e abrasivo. Vidros temperados, projetados para quebrar a baixas pressões, também não podem ser cortados por esse sistema. JATO D ÁGUA X PLASMA JATO D ÁGUA X PLASMA Fonte:

11 USINAGEM POR ULTRASSOM USINAGEM POR ULTRASSOM 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. Princípio: uma ferramenta é posta para vibrar sobre uma peça mergulhada em um meio líquido com pó abrasivo em suspensão, numa freqüência que pode variar de 20 khz a 100 khz. USINAGEM POR ULTRASSOM USINAGEM POR ULTRASSOM O martelamento produzido pelas vibrações é capaz de erodir o material, formando uma cavidade com a forma negativa da ferramenta. *As freqüências de sons audíveis pelo ouvido humano estão na faixa de 20Hz a 20kHz. Os sons com freqüência abaixo de 20 Hz são chamados infra-sons. Os sons com freqüência acima de 20kHz são chamados ultra-sons. Hertz (Hz): unidade de medida de freqüência. Um Hz corresponde a um ciclo por segundo.

12 USINAGEM POR ULTRASSOM Formas de erosão: Martelamento e Impacto HISTÓRICO DA USINAGEM POR ULTRASSOM primeiros trabalhos publicados (Wood e Loomis) primeira patente concedida (Balamuth, L.) Denominações ao longo dos anos: - usinagem ultrassônica de perfuração; - corte ultrassônico; - usinagem ultrassônica dimensional; - usinagem ultrassônica de perfuração com polpa abrasiva. No entanto, a partir do início dos anos 50 ficou conhecida como usinagem por abrasão ultrassonora (ultrasonic machining - USM). USINAGEM POR ULTRASSOM USINAGEM POR ULTRASSOM Características: - não produz aquecimento; - ocorre sem reações químicas; - não cria nenhuma mudança na microestrutura; - não altera as propriedades físicas do material; - superfícies usinadas praticamente livres de tensões. *Amplamente utilizada na usinagem de peças e componentes onde as propriedades microestrturais do material não podem ser alteradas. Características: Não há contato entre a ferramenta e a peça. A usinagem é feita pelos grãos finos e duros do material abrasivo, que atacam a superfície da peça. 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.

13 GERAÇÃO DO ULTRASSOM GERAÇÃO DO ULTRASSOM A maior parte dos corpos materiais possui certas propriedades elásticas. 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. GERAÇÃO DO ULTRASSOM 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.

14 O equipamento USM inclui: - gerador de alta frequência; - transdutor piezoelétrico; - sistema de amplificação mecânica constituído por um amplificador fixo e outro intercambiável (sonotrodo); - ferramenta; - sistema de fixação do material a ser usinado (peça); - sistema de alimentação do abrasivo; - painel de controle. O sonotrodo é 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.

15 A peça a ser usinada é fixada sobre o tanque de abrasivo que pode ser adaptado a uma mesa de coordenadas, com movimentos comandados. Este conjunto é centralizado sob a ferramenta. 1) O gerador de alta frequência alimenta o transdutor com sinal de 20 khz e, em função da massa e geometria do par sonotrodo/ferramenta acoplada ao amplificador fixo, todo o conjunto é sintonizado na sua frequência de ressonância 2) O transdutor converte os pulsos elétricos em impulsos verticais. Estes golpes verticais são amplificados e transferidos até a extremidade da ferramenta. A amplitude da vibração deve ter a mesma ordem de grandeza do diâmetro médio das partículas abrasivas usadas.

16 USINAGEM POR ULTRASSOM A alimentação do abrasivo na interface peça-ferramenta é feita com um sistema hidráulico em circuito fechado. O material abrasivo deve ser, no mínimo, tão duro quanto a peça usinada. Além de proporcionar partículas abrasivas para o corte, a polpa refrigera o par sonotrodo-ferramenta e remove partículas e detritos da interface de usinagem. A polpa abrasiva é geralmente à base de água. Como abrasivo pode-se utilizar: - carbeto de silício (SiC); - carbeto de boro (B4C); - óxido de alumina; - diamante em pó. *Com tamanhos de grãos variando entre 0,5 mm e 0,002 mm.

17 PARÂMETROS DO PROCESSO A natureza e o tamanho da partícula abrasiva afetam a velocidade de corte ou a taxa de remoção de matéria e o acabamento superficial resultante do processo USM. O fluxo abrasivo é controlado pelo painel de controle do equipamento que também permite variar: i) a carga estática sobre o sonotrodo; ii) o posicionamento do sistema em relação à peça; iii) a duração do ciclo de usinagem; iv) a distância de recuo do sonotrodo para reciclagem do fluido abrasivo, entre outros. V (6:40) - carga estática aplicada sobre o sonotrodo; - amplitude da oscilação ultrassônica; - perfil do sonotrodo; - forma da ferramenta; - partículas abrasivas empregadas; - fluxo da polpa abrasiva sobre a peça durante a usinagem; - avanço e recuo da ferramenta. CARGA ESTÁTICA Peso do sistema mecânico de amplificação (amplificador fixo, sonotrodo intercambiável e ferramenta) + Pressão aplicada pelo sistema pneumático da máquina. CARGA ESTÁTICA Um aumento da carga estática entre 2 e 60 N, com os outros parâmetros constantes, apresenta uma relação linear com a taxa de remoção de matéria (TRM). Acima desse valor, constatou-se que a TRM diminui devido a uma fragmentação excessiva dos grãos abrasivos que chegam na interface peça-ferramenta diminuindo a ação do martelamento das partículas.

18 CARGA ESTÁTICA CARGA ESTÁTICA A carga estática para uma taxa de remoção máxima, depende: - da forma geométrica da ferramenta, - da amplitude de vibração e, - do tamanho médio e da tenacidade dos grãos abrasivos. AMPLITUDE AMPLITUDE A amplitude de vibração na face do transdutor é muito pequena, geralmente na faixa de μm. Para alcançar uma taxa de corte razoável, torna-se necessário o uso de um dispositivo de amplificação mecânica, concebido de modo a proporcionar, a uma determinada frequência, o máximo de amplitude na extremidade livre da ferramenta.

19 PARTÍCULAS ABRASIVAS PARTÍCULAS ABRASIVAS O processo de usinagem ultrassonora depende fortemente da dureza, tenacidade e do tamanho das particulas abrasivas. O aumento da taxa de corte com o crescimento da granulometria do abrasivo pode ser explicado através dos mecanismos de remoção de matéria atuantes no processo de usinagem ultrassonora. Conforme mencionado, o principal mecanismo de remoção de matéria é o martelamento das partículas sobre a peça. Logo, com abrasivos grosseiros, a tensão efetiva devido à ação individual de cada partícula é maior. LIMITAÇÕES DO PROCESSO USM - baixas taxas de remoção de matéria resultando num maior tempo de usinagem, - necessidade de confecção da ferramenta, - desgaste da ferramenta, - conicidade dos furos usinados

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