DESENVOLVIMENTO DE PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE GUIAS DE ONDA WR-90

CENTRO TECNOLÓGICO DA MARINHA EM SÃO PAULO PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA - PIBIC Processo 145547/2013-2 DESENVOLVIMENTO DE PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE GUIAS DE ONDA WR-90 Aluno: MARCUS VINICIUS RODRIGUES CATAN Orientador: Dr. CLÁUDIO COSTA MOTTA 2013

Índice Índice de Tabelas II Índice de Imagens III Lista de Símbolos IV 1. Introdução 1 2. Materiais 5 3. Descrição do Processo de Fabricação do flange da Junta Rotativa WR-90 6 4. Processos Envolvidos na Fabricação da Junta Rotativa WR-90 10 4.1. Torneamento 10 4.2. Fresamento 11 4.3. Eletroerosão 13 5. Conclusão 17 6. Bibliografia 19 I

Índice de Tabelas Tab. 1. Processo de Fabricação: Flange da Junta Rotativa WR-90 6 II

Índice de Figuras Figura 1 Junta Rotativa WR-90 1 Figura 2 Flange para Junta Rotativa WR-90 2 Figura 3 Operação 10 - Torneamento. 7 Figura 4 Operação 20 - Torneamento. 7 Figura 5 Operação 30 - Fresamento. 8 Figura 6 Operação 40 - Fresamento. 8 Figura 7 Operação 50 - Fresamento. 8 Figura 8 Operação 60 - Fresamento. 9 Figura 9 Operação 70 - Erosão. 9 Figura 10 Operação 80 - Erosão. 10 Figura 11 Operação de Torneamento A. 11 Figura 12 Operação de Torneamento B. 11 Figura 13 Operação de Fresamento A. 12 Figura 14 Operação de Fresamento B. 12 Figura 15 Operação de Fresamento C. 13 Figura 16 Processo de Eletroerosão A. 14 Figura 17 Processo de Eletroerosão B. 15 Figura 18 Processo de Eletroerosão C. 15 Figura 19 Processo de Eletroerosão D. 15 Figura 20 Processo de Eletroerosão E. 16 Figura 21 Processo de Eletroerosão F. 16 Figura 22 Eixos X, Y, U e V. 16 Figura 23 Operação de Eletroerosão A. 17 Figura 24 Operação de Eletroerosão B. 17 III

Lista de Símbolos Os valores das grandezas são fornecidos nas unidades padronizadas pelo Sistema Internacional de unidades (S.I.). [mm] [mm] [Adimensional] [m/min] [m/min] [rpm] [Nm] [W] [V] [A] [ ] Adimensional [ ] Adimensional [mm] [s] [mm] IV

1. Introdução Segundo GlobalSpec, em tradução livre, Juntas Rotativas de guias de onda (WRJ - Waveguide Rotary Joints) são componentes para guias de onda utilizados para transmitir energia em forma de micro-ondas de linhas estacionárias para linhas rotativas. São também conhecidos como acopladores rotativos e Juntas Rotativas de Frequência de Radio. Juntas rotativas de guias de onda são constituídas de dois guias de onda de transição coaxial conectados por uma linha coaxial. O WRJ pode rotacionar devido ao fato de que esta linha coaxial é circular, sem afetar a performance. Este relatório tem como objetivo geral explorar este componente auxiliar aos guias de onda denominado Junta Rotativa, no caso, para guias de onda WR-90, ilustrado abaixo na FIG. 1 e os processos envolvidos na fabricação desta peça, em especial o de eletroerosão (EDM - Electrical Discharge Machining). Mas primariamente, será exposta a fabricação de um componente essencial desta peça, que é seu Flange, exposto abaixo na FIG. 2. Destina-se então à estabelecer métodos de fabricação satisfatórios tanto tecnologicamente quanto economicamente, a partir do estudo realizado. Figura 1 - Junta Rotativa WR-90 1

Figura 2 - Flange para Junta Rotativa WR-90 O processo de eletroerosão é utilizado para a usinagem do perfil interno de determinados componentes da Junta Rotativa WR-90. Não é viável usinar tal perfil, com as tolerâncias desejadas, utilizando máquinas convencionais. Perfil este que é intrínseco à funcionalidade destes componentes, suas dimensões caracterizarão a gama de frequência onde é possível trabalhar com esta Junta Rotativa (no caso da Junta Rotativa WR-90, a gama de frequência é determinada entre 8,2 e 12,4GHz). Para fins de esclarecimento, abaixo seguem alguns conceitos intrinsecamente ligados à área de usinagem, e que serão abordados mais adiante neste relatório: Usinagem Mecânica: de acordo com a norma alemã DIN 8580: Usinagem é um termo que se aplica a todos os processos de fabricação onde ocorre a remoção de material sob a forma de cavaco. Onde cavaco é a porção de material da peça retirada pela ferramenta. O processo de usinagem é a remoção de material para conferir a forma desejada a uma determinada peça. Velocidade de Corte: a velocidade de corte está relacionada com o deslocamento da ferramenta enquanto mantém contato com a peça e irá influenciar diretamente no 2

acabamento superficial da peça. Em outras palavras, calcula-se quanto de peça será usinado pela ferramenta num determinado intervalo de tempo ( Velocidade de Corte ). Operação de Fresamento: segundo Borges (2004, p. 3): Consiste numa opera ão de usinagem em que o metal é removido por uma ferramenta giratória denominada fresa de múltiplos gumes cortantes. Cada gume remove uma pequena quantidade de metal em cada revolução do eixo onde a ferramenta é fixada. A máquina ferramenta que realiza a opera ão é denominada fresadora. As fresadoras mais comuns realizam, com a fresa, movimentos ao longo de três eixos. E além de contar com uma série de modelos diferentes para processos específicos, essa pode contar com dispositivos auxiliares para operações mais complexas que necessitem, por exemplo, que a ferramenta seja inclinada num determinado ângulo, que a mesa seja rotacionada, etc. ( Fresamento ). Operação de Torneamento: segundo Carlos Rosa (1999, p. 2): O processo que se baseia no movimento da peça em torno de seu próprio eixo chama-se torneamento. O torneamento é uma operação de usinagem que permite trabalhar peças cilíndricas movidas por um movimento uniforme de rotação em torno de um eixo fixo. O torneamento ocorre também através de uma ferramenta de corte. Porém, no torno, a ferramenta permanece estática durante o processo. Esta é devidamente posicionada antes da ativação da máquina. O torno faz, então, a peça girar em torno de seu próprio eixo e pode movimentá-la, na direção desse mesmo eixo (nos dois sentidos) ( Torneamento ). Operação de Eletro Erosão: segundo Stoeterau (2002, p. 3): É um processo térmico de fabricação caracterizado pela remoção de material consequente a sucessões de descargas elétricas que ocorrem entre um eletrodo e uma pe a, através de um líquido dielétrico. Há dois tipos de máquinas de eletroerosão, a que gera descargas elétricas por meio de penetração e a que gera descargas elétricas a fio. Entre estas duas máquinas, o processo explorado neste relatório é o realizado pela máquina de eletroerosão a fio. Onde a "ferramenta" da máquina é um fio metálico, geralmente de cobre ou latão (eletrodo). Este 3

fio metálico entrará em contato com a peça, com o sistema imerso num líquido dielétrico, e as sucessivas descargas elétricas formam ao redor do eletrodo uma ponte iônica que faz com que as partículas metálicas da peça naquela pequena região se desprendam da peça e juntem-se ao líquido dielétrico. É um processo que permite trabalhar com tolerâncias estreitas e geometrias complexas, porém possui um alto tempo de operação ( Eletroerosão ). Operação de Brasagem: segundo Augusto de Oliveira (2013), a operação de brasagem é um processo térmico cuja finalidade é proporcionar a junção ou o revestimento de peças e/ou materiais por meio de um metal de adição em fusão. Este metal de adição geralmente apresenta temperatura de fusão superior a 450 C (não é o caso, por exemplo, do estanho material usado como metal de adição no processo de brasagem descrito mais adiante neste relatório), mas inferior ao ponto de fusão do metal base (metal que sofrerá o processo) ( Brasagem ). Folha de Processo: a Folha de Processo é um documento contendo especificações detalhadas sobre uma determinada operação, dispostos de forma simples para que o entendimento seja fácil e não possa dar origem à uma peça diferente da planejada. O que se pode encontrar numa folha de processo varia de uma folha para outra, os dados mais encontrados são: a descrição do método ou, em outras palavras, como executar determinada tarefa; a máquina à ser utilizada no processo; o nome de cada um dos processos realizados durante a operação; os dispositivos auxiliares, ferramentas, instrumentos de medição, etc. ( Folha de Processos ). Blank: refere-se à quantidade de material necessária para a fabricação de uma única peça. O Blank de uma peça fundida pode ser a quantidade de metal, em litros, que será utilizada para fundir a peça, no caso de usinagem convencional, Blanks são barras, ou blocos, de metal que serão necessários para realizar a fabricação da peça. ("Blank"). 4

Este relatório está dividido em 6 seções, e estas estão organizadas da seguinte forma: na seção 1, Introdução, são definidos conceitos, visando criar uma base teórica, necessária para a compreensão do relatório, encontra-se nesta seção também um breve resumo sobre o tema do relatório; na seção 2, Materiais, há um breve resumo sobre quais os materiais mais utilizados na fabricação dos guias de ondas, e o motivo; na seção 3, Descrição do Processo de Fabricação do Flange da Junta Rotativa WR-90, o detalhamento do processo de fabricação utilizado na fabricação do flange; a seção 4, Processos Envolvidos na Fabricação da Junta Rotativa WR-90, foi subdividida em três subseções: 4.1, Torneamento, que contém uma breve explicação sobre o papel do processo no método de fabricação da Junta Rotativa e a ilustração relacionando de fato a utilização do processo na fabricação. 4.2, Fresamento, subseção onde está contida também uma breve explicação sobre o papel deste processo e ilustrações relacionando a utilização deste no método de fabricação estabelecido para a Junta Rotativa WR-90. 4.3, Eletroerosão, subseção que trata sobre o processo de eletroerosão, mostrando, por etapas, como ocorre este processo, e relacionando-o com o método estabelecido para fabricação da Junta Rotativa WR-90; na seção 5, Conclusão, uma breve releitura do relatório, considerações finais e, por fim, o que se pôde concluir dos experimentos realizados; na seção 6, Bibliografia, são colocadas as referências dos livros e artigos utilizados na elaboração deste relatório. 5

2. Materiais Os materiais escolhidos para realizar a fabricação da Junta Rotativa são os mesmos escolhidos para a fabricação dos guias de onda, devido ao fato de que estas funcionam, essencialmente, como guias de onda. Os materiais usados na construção de guias de onda, são geralmente: bronze, cobre, alumínio, prata ou qualquer metal que possua baixa resistividade. É possível também produzir guias de onda a partir de materiais com alta resistividade, desde que, estes sejam posteriormente chapeados, ou banhados por algum bom condutor. Em algumas aplicações é necessário banhar o guia de onda com metais com a maior condutância possível, ou seja, prata, ouro e etc. 6

3. Descrição do Processo de Fabricação do Flange da Junta Rotativa WR-90 A fim de expor as etapas realizadas no processo de forma clara, e portanto, estabelecer o método de fabricação da Junta Rotativa WR-90, construiu-se a TAB. 1. contendo a descrição do processo e especificação do número da operação, máquina, ferramenta e dispositivo utilizados. O processo é realizado a partir de um Blank de latão de Ø63mm x 12,7mm. Tabela 1 - Processo de Fabricação: Flange da Junta Rotativa WR-90 Operação Processo Descrição Torneamento Aplique faceamento frontal de A até B, até a altura de 10,6mm. Máquina, ferramenta, dispositivo e instrumento de medição Torno, ferramenta para desbaste e placa de três castanhas. 10 Figura 3 - Operação 10 - Torneamento. Torneamento Aplique torneamento cilíndrico de C a D, formando um diâmetro de Ø36,5mm com 6,7mm de altura. Torno, ferramenta para desbaste, placa de três castanhas e paquímetro 20 Figura 4 - Operação 20 - Torneamento. 7

Fresamento Usine 5 furos de Ø4,3mm (4 nas extremidades e 1 no centro). Fresadora, broca HSS de Ø4,3mm, dispositivo standard - Morsa e Paquímetro 30 Figura 5 - Operação 30 - Fresamento. Fresamento Aplique fresamento facial de F a E e de H a G para formar os canais laterais maiores. Fresadora, Fresa HSS 4 cortes, dispositivo standard - Morsa e Paquímetro 40 Figura 6 - Operação 40 - Fresamento. Fresamento Aplique fresamento facial de I a J e de K a L, para realizar os canais longitudinais. Fresadora, Fresa HSS Ø2mm, dispositivo standard - Morsa e Paquímetro 50 Figura 7 - Operação 50 - Fresamento. 8

Fresamento Aplique fresamento facial de M a N e O a P, para realizar os canais transversais. Fresadora, Fresa HSS Ø2mm, dispositivo standard - Morsa e Paquímetro 60 Figura 8 - Operação 60 - Fresamento Erosão Usine o quadrado externo de 41,5mm, com os chanfros de 3,5mm (Destacado em vermelho na FIG. 9, exposta abaixo. Eletroerosão a fio Agie Charmilles Cut20p, eletrodo de cobre, mesa de trabalho e utensílios auxiliares da máquina. 70 Figura 9 - Operação 70 - Erosão. 9

Erosão Usine o retângulo interno de 22,86mm x 10,16mm (destacado em vermelho, abaixo, na FIG. 10). Eletroerosão a fio Agie Charmilles Cut20p, eletrodo de cobre, mesa de trabalho e utensílios auxiliares da máquina. 80 Figura 10 - Operação 80 - Erosão. 10

4. Processos Envolvidos na Fabricação da Junta Rotativa WR-90 Há três processos principais envolvidos na fabricação da Junta Rotativa WR-90. Este tópico foi dividido para que fosse atribuído um tópico para cada processo, 4.1 - Torneamento, 4.2 - Fresamento e 4.3 - Eletroerosão. 4.1. Torneamento O processo de Torneamento envolvido na fabricação da Junta Rotativa WR-90 é o primeiro processo pelo qual o Blank deve passar. O processo de torneamento será utilizado para atribuir ao Blank a espessura final, onde a espessura do Blank é de 12,7mm e a final de 10,6mm, ilustrado abaixo na Fig. 11, e o diâmetro da parte do Blank onde serão, mais tarde, usinados os canais, ilustrado abaixo na Fig. 12. Figura 11 - Operação de Torneamento A. Figura 12 - Operação de Torneamento B. 11

4.2. Fresamento O processo fresamento é o segundo processo pelo qual a peça deve passar e é responsável pela formação dos canais, ilustrado nas Fig. 13, Fig. 14 e Fig. 15, que servirão como um dispositivo, para a operação posterior, de Brasagem. É responsável ainda pelas furações que por si possuem duas funções. O furo central passante é necessário pois possibilita a próxima operação, de Eletroerosão a fio, permitindo a passagem do fio, os furos localizados na região periférica da peça são definidos em projeto, e são o ponto de conexão, onde um flange poderá ser ligado a outro, com o auxilio de parafusos. Figura 13 - Operação de Fresamento A. Figura 14 - Operação de Fresamento B. 12

Figura 15 - Operação de Fresamento C. 13

4.3. Eletroerosão Eletroerosão, ou EDM (Electric Discharge Machining), é um processo de usinagem que consiste na remoção de material de um Blank utilizando descargas elétricas como meio de usinagem. Esta técnica é caracterizada por sua habilidade de usinar todo tipo de material que conduz eletricidade (metais, ligas, grafites, etc.) por mais duros que sejam. Porém, apesar de usinar todo tipo de material que conduz eletricidade a máquina possui um pré-set que permite apenas a usinagem de alguns metais e ligas. Para usinar utilizando EDM é necessário um eletrodo, um Blank que conduza eletricidade, líquido dielétrico (água da rede pública, ou óleo mineral, o propósito do dielétrico é reduzir a temperatura na área da usinagem, remover partículas metálicas residuais e permitir a criação de faíscas) e eletricidade. O Blank e o eltrodo devem estar carregados eletricamente com polos opostos entre si, faíscas são produzidas por um gerador de faíscas e então, em intervalos regulares, é criada uma sucessão de crateras no Blank. Cada faísca produz temperatura entre 8000 e 12000 C. O tamanho da cratera depende da energia transmitida pelo gerador de faíscas. O leque de faíscas varia de poucos micra a 1mm. O processo físico acontece da seguinte forma: 1 Etapa: O Eletrodo se aproxima do Blank. Ambos energizados. Figura 16 - Processo de Eletroerosão A. 14

2 Etapa: Concentração do campo elétrico em direção ao ponto onde o espaço o Blank e o eletrodo é menor. Figura 17 - Processo de Eletroerosão B. 3 Etapa: Criação de um canal ionizado entre Blank e eletrodo. Figura 18 - Processo de Eletroerosão C. 4 Etapa: Colapsamento da faísca. O material do Blank derrete no local e é desintegrado. O Eletrodo é levemente aquecido. Figura 19 - Processo de Eletroerosão D. 15

5 Etapa: A corrente é desligada, causando uma implosão da faísca. Figura 20 - Processo de Eletroerosão E. 6 Etapa: Evacuação das partículas metálicas pelo fluxo com o dielétrico. Figura 21 - Processo de Eletroerosão F. Existem dois tipos de processos de eletroerosão, o processo de eletroerosão por penetração e o processo de eletroerosão a fio. A máquina utilizada neste caso é uma máquina que realiza o processo de eletroerosão a fio. A eletroerosão a fio é utilizada para fazer furos e perfis complexos passantes. Os perfis são obtidos por meio de um fio eletrodo com diâmetro pequeno (cerca de 0,4mm) que pode se mover simultaneamente pelos eixos X, Y, U e V. Figura 22 - Eixos X, Y, U e V. 16

Nota: As Figuras 16, 17, 18, 19, 20, 21 e 22 foram feitas com auxílio do software CorelDRAW e baseadas nas imagens expostas no "Pequeno Manual do Usuário" referente à máquina de eletroerosão da empresa AgieCharmilles modelo Cut20p. Abaixo nas Fig. 23 e 24, estão expostas as operações 70 e 80 referente ao plano de fabricação do flange, ilustrando também o caminho percorrido pelo fio (eletrodo) da máquina de eletroerosão. Figura 23 - Operação de Eletroerosão A. Figura 24 - Operação de Eletroerosão B. 17

5. Conclusão Neste relatório foi desenvolvido parte do processo de fabricação da Junta Rotativa WR- 90, visando explorar cada etapa e os processos envolvidos nestas. A escolha do material foi baseada nos mesmos conceitos que a escolha para o material de um guia de ondas comum. O material a ser escolhido, precisava, primeiramente, ser bom condutor de eletricidade. Nos deixando uma grande gama de metais para escolher. A segunda característica, é relacionada ao processo, o flange passará mais tarde por uma Operação de Brasagem, e necessita por tanto de afinidade química com o metal que seria utilizado como Metal de preenchimento. Em vista do aspecto econômico também, o material escolhido então foi o latão. Foram expostas as etapas do processo de fabricação da Junta Rotativa WR-90, de forma similar à exposição que seria feita em uma Folha de Processo. Visando expor da maneira mais clara, tudo que é necessário para realizar determinada operação: máquina, processo, descrição do processo, ferramenta, dispositivo e instrumento de medição. Mais adiante, este mesmo processo é exposto de forma que seja possível analisar não somente a operação em questão, mas os processos envolvidos nestas. É feita uma análise sobre o processo de Torneamento, que é o primeiro processo envolvido no método estabelecido (não é necessário que seja o primeiro, mas por questões econômicas e práticas, estabeleceu-se que é conveniente começar por este processo) utilizado para atribuir ao Blank a espessura final. Em seguida é analisado o processo de Fresamento que dará origem aos canais que servem como dispositivo para realização da posterior Operação de Brasagem, também ao furo central, que possibilita a operação de eletroerosão (que necessita de um furo passante para passagem do fio e usinagem de um perfil interno) e pelos furos mais próximos à extremidade da peça, que são necessários para que um flange possa ser conectado a outro (utilizando parafusos). 18

Por fim, analisa-se o processo de Eletroerosão, que é a chave deste procedimento. A presença do processo de Eletroerosão no método de fabricação do flange da Junta Rotativa WR- 90 é o que difere o este método de outro método convencional. Este tão importante processo, que garante tolerâncias estreitas em perfis externos e internos, é o que permite a fabricação da Junta Rotativa WR-90 garantindo a funcionalidade da peça. São também expostas as etapas de como funciona o processo em si. Pôde-se, portanto, verificar que o método adotado, pelos processos estabelecidos leva a um resultado viável, satisfatório econômica e tecnologicamente. 19

6. Bibliografia A. L. CASILLAS; Máquinas: Formulário Técnico; 19 a Edição, Ed MESTRE JOU, 1961. P. 389-401, 586-600. FERRARESI, DINO; Máquinas Operatrizes de Usinagem: Fundamentos da usinagem dos metais; Ed EESC/SEM, 1965. P. 54-67, 72-86. O Que é Brasagem (AUGUSTO DE OLIVEIRA, GUILHERME) Brasagem. Acessado em 12 de Junho de 2014 em: http://www.ebah.com.br/content/abaaaar80ac/brasagem Construção de guias de onda, materiais - waveguide construction, waveguide materials. Acessado em 15 de março de 2014 em: http://www.microwaves101.com/encyclopedia/waveguideconstruction.cfm Coleção de Tecnologia do Senai Infosolda, Livro Senai. Acessado em 17 de Julho de 2013 em: http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/26-livros-senai.html Superfícies Usinadas (Stoeterau, Rodrigo Lima) Eletroerosão. Acessado em 15 de mar o de 2014 em: http://www.poli.br/~afcm/operatrizes%202%aa%20unid%20mota/aula-26-u- 2007-1-eletroerosao.pdf 20

GlobalSpec - "RF Rotary Joints Information". Acessado em 13 de março de 2014 em: http://www.globalspec.com/learnmore/networking_communication_equipment/rf_microwave_wi reless_components/rf_rotary_joints Merlinhawk Engineering - Rotary Joints - "Rotary Joints, Pedestals, Slip Rings, Waveguide Switches". Acessado em 10 de março de 2014 em: http://merlinhawkengineering.com/microwavekevlin&sivers.html 21