Processos de usinagem não convencionais:AJM, EBM, LBM &PAM | Fabricação

Neste artigo, discutiremos sobre os processos de usinagem não convencionais:- 1. Abrasive Jet Machining (AJM) 2. Electron Beam Machining (EBM) 3. Laser Beam Machining (LBM) e 4. Maquinação a arco de plasma (PAM). E também aprenda sobre:​​- Processo de usinagem não convencional, características do processo de usinagem não convencional e classificações de processos de usinagem não convencional.

Usinagem a jato abrasivo (AJM) :

Em AJM, a remoção do material ocorre devido ao impacto das partículas abrasivas finas. Essas partículas se movem com um fluxo de ar (ou gás) de alta velocidade. A Figura 6.1 mostra o processo junto com alguns parâmetros típicos do processo. As partículas abrasivas têm tipicamente 0,025 mm de diâmetro e o ar é descarregado a uma pressão de várias atmosferas.

Mecânica de A JM:

Quando uma partícula abrasiva colide com a superfície de trabalho em alta velocidade, o impacto causa uma fratura minúscula e quebradiça e o ar seguinte (ou gás) carrega para longe a pequena partícula da peça de trabalho desalojada (partícula de desgaste) . Isso é mostrado nas Figs. 6.2a e 6.2b. Assim, é óbvio que o processo é mais adequado quando o material de trabalho é quebradiço e frágil. Um modelo para estimar a taxa de remoção de material (mrr) está disponível. O mrr devido ao lascamento da superfície de trabalho pelo impacto das partículas abrasivas é expresso como -



onde Z é o número de partículas abrasivas impactando por unidade de tempo, d é o diâmetro médio dos grãos abrasivos, v é a velocidade dos grãos abrasivos, ρ é a densidade do material abrasivo, H _w é a dureza do material de trabalho (a tensão de fluxo) e X é uma constante.

Parâmetros do processo de A JM :

As características do processo podem ser avaliadas avaliando - (i) o mrr, (ii) a geometria do corte, (iii) a rugosidade da superfície produzida e (iv) a taxa de desgaste do bico.

Os principais parâmetros que controlam essas quantidades são:

(i) O abrasivo (composição, resistência, tamanho e taxa de fluxo de massa),

(ii) O gás (composição, pressão e velocidade),

(iii) O bocal (geometria, material, distância e inclinação da superfície de trabalho).

Discutiremos agora cada um desses parâmetros, bem como seus efeitos:

i. O abrasivo:

Principalmente dois tipos de abrasivos são usados, viz., - (i) óxido de alumínio e (ii) carboneto de silício. No entanto, geralmente os abrasivos de óxido de alumínio são preferidos na maioria das aplicações. A forma desses grãos não é muito importante, mas, para uma ação de desgaste satisfatória na superfície de trabalho, estes devem ter arestas vivas. Al ₂ O ₃ e pós de SiC com um diâmetro de grão nominal de 10-50 μm estão disponíveis. O melhor corte é obtido quando o diâmetro nominal está entre 15 μm e 20 μm.

A reutilização do pó abrasivo não é recomendada porque - (i) a capacidade de corte diminui após a primeira aplicação e (ii) a contaminação obstrui os pequenos orifícios do bico. A taxa de fluxo de massa das partículas abrasivas depende da pressão e da taxa de fluxo do gás. Quando a fração de massa dos abrasivos no jato (proporção de mistura) aumenta, o mrr inicialmente aumenta, mas com um aumento adicional na proporção de mistura, atinge um máximo e depois cai (Fig. 6.3a). Quando a taxa de fluxo de massa do abrasivo aumenta, o mrr também aumenta (Fig. 6.3b).



ii. O gás:

As unidades AJM normalmente operam a uma pressão de 0,2 N / mm ² a 1 N / mm ² . A composição do gás afeta o mrr de forma indireta, pois a relação velocidade-pressão depende dessa composição. Uma alta velocidade obviamente causa um alto mrr, mesmo se a taxa de fluxo de massa do abrasivo for mantida constante.

iii. O Bocal:

O bico é um dos elementos mais vitais que controlam as características do processo. Por estar em contato contínuo com os grãos abrasivos que fluem em alta velocidade, o material deve ser muito duro para evitar desgastes significativos. Normalmente, WC ou safira é usado. Para uma operação normal, a área da seção transversal do orifício está entre 0,05 mm ² e 0,2 mm ² .

O formato do orifício pode ser circular ou retangular. A vida média de um bico é muito difícil de determinar. Um bocal de WC dura entre 12h e 30h, enquanto um bocal de safira dura cerca de 300h.

Um dos fatores mais importantes no AJM é a distância entre a superfície de trabalho e a ponta do bico, normalmente chamada de Distância da Ponta do Bico (NTD). O NTD afeta não apenas o mrr da superfície de trabalho, mas também a forma e o tamanho da cavidade produzida. A Figura 6.5 mostra o efeito do NTD. Quando o NTD aumenta, a velocidade das partículas abrasivas que colidem com a superfície de trabalho aumenta devido à sua aceleração após deixarem o bico.



Isso, por sua vez, aumenta o mrr. Com um novo aumento no NTD, a velocidade diminui devido ao arrasto da atmosfera que inicialmente verifica o aumento do mrr e finalmente o diminui. A Figura 6.6 mostra como o NTD afeta o mrr.



As máquinas de jato abrasivo são fabricadas e comercializadas por um único fabricante (a saber, S.S. White Co., Nova York) sob o nome “Airbrasive”.

Características de AJM:

Usinagem de feixe de elétrons (EBM):

Basicamente, a usinagem por feixe de elétrons também é um processo térmico. Aqui, um fluxo de elétrons de alta velocidade colide com a superfície de trabalho, por meio da qual a energia cinética, transferida para o material de trabalho, produz um aquecimento intenso. Dependendo da intensidade do calor gerado, o material pode derreter ou vaporizar. O processo de aquecimento por um feixe de elétrons pode, dependendo da intensidade, ser usado para recozimento, soldagem ou remoção de metal.

Velocidades muito altas podem ser obtidas usando tensão suficiente; por exemplo, uma tensão de aceleração de 150.000 V pode produzir uma velocidade do elétron de 228.478 km / s. Como um feixe de elétrons pode ser focado em um ponto com diâmetro de 10-200μm, a densidade de potência pode ir até 6.500 bilhões de W / mm ² . Essa densidade de potência pode vaporizar qualquer substância imediatamente. Portanto, o EBM nada mais é do que um processo de vaporização controlado com muita precisão. EBM é um processo adequado para fazer furos finos e cortar ranhuras estreitas.

Furos com diâmetro de 25-125μm podem ser perfurados quase instantaneamente em chapas com espessuras de até 1,25 mm. A ranhura mais estreita que pode ser cortada por EBM tem uma largura de 25μm. Além disso, um feixe de elétrons pode ser manobrado pelas bobinas de deflexão magnética, facilitando a usinagem de contornos complexos. No entanto, para evitar uma colisão dos elétrons em aceleração com as moléculas de ar, o processo deve ser conduzido no vácuo (cerca de 10 ^-5 mm Hg); isso torna o processo inadequado para peças de trabalho muito grandes.

Para indicar a ampla gama de aplicações do feixe de elétrons, um gráfico da densidade de potência versus o diâmetro do ponto quente é fornecido na Fig. 6.69. É óbvio que o alcance do feixe de elétrons é o maior. É por isso que o feixe de elétrons é usado não apenas para usinagem, mas também para outros processos térmicos.



Os elétrons são emitidos do cátodo (um filamento de tungstênio quente), o feixe é moldado pelo copo da grade e os elétrons são acelerados devido a uma grande diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo. O feixe é focalizado com o auxílio das lentes eletromagnéticas. As bobinas de deflexão são usadas para controlar o movimento do feixe de qualquer maneira necessária.

No caso de furos, o diâmetro do furo depende do diâmetro do feixe e da densidade de energia. Quando o diâmetro do furo necessário é maior do que o diâmetro da viga, a viga é desviada em um caminho circular com raio adequado. A maioria dos furos perfurados com EBM é caracterizada por uma pequena cratera no lado de incidência do feixe da obra. Os furos também possuem um pequeno afilamento (2 ° —4 °) quando a espessura da chapa é maior que 0,1 mm. Alguma ideia sobre as características de desempenho de furos com EBM pode ser obtida na Tabela 6.5.



Durante o corte de uma ranhura, a velocidade de usinagem normalmente depende da taxa de remoção de material, ou seja, a seção transversal da ranhura a ser cortada. Os lados de uma fenda em uma folha com espessura de até 0,1 mm são quase paralelos. Um afilamento de 1 ° a 2 ° é observado em um corte de fenda em uma placa mais espessa. Uma pequena quantidade de respingos de material ocorre no lado incidente do feixe. A Tabela 6.6 dá uma ideia sobre as capacidades de corte de fenda do feixe de elétrons.



A necessidade de energia é aproximadamente proporcional à taxa de remoção de metal. Portanto, P ≈ CQ, sendo C a constante de proporcionalidade. A Tabela 6.7 fornece os valores aproximados de C para diferentes materiais de trabalho.



Uma estimativa muito grosseira da velocidade de usinagem para as condições dadas é possível, usando a Tabela 6.7.

Mecânica da EBM:

Os elétrons são as menores partículas elementares estáveis ​​com uma massa de 9,109 x 10 ^-31 kg e uma carga negativa de 1,602 x 10 ^-19 coulomb. Quando um elétron é acelerado por uma diferença de potencial de V volts, a mudança na energia cinética pode ser expressa como 1 / 2m _e (u ² –U ₀ ² ) eV, onde m _e é a massa do elétron, u é a velocidade final e u ₀ é a velocidade inicial. Se assumirmos que a velocidade inicial dos elétrons emissores é desprezível, a expressão final para a velocidade do elétron u em km / s é -

u ≈ 600√V (6,67)

Quando um elétron em movimento rápido colide com a superfície de um material, ele penetra através de uma camada sem ser perturbado. Em seguida, ele começa a colidir com as moléculas e, por fim, é colocado em repouso (Fig. 6.71). A camada através da qual o elétron penetra sem ser perturbado é chamada de camada transparente.



Somente quando o elétron começa a colidir com os átomos da rede, ele começa a desistir de sua energia cinética e o calor é gerado. Assim, fica claro que a geração de calor ocorre dentro do material, ou seja, abaixo da pele transparente. A faixa total na qual o elétron pode penetrar (δ) depende da energia cinética, ou seja, da tensão de aceleração V. Verificou-se que -



Onde δ é o intervalo em mm, V é a tensão de aceleração em volts e p é a densidade do material em kg / mm ³ .


Efeitos do EBM nos materiais:

Visto que a usinagem por um feixe de elétrons é alcançada sem aumentar a temperatura do material circundante (exceto uma camada extremamente fina), não há efeito no material de trabalho. Por causa da densidade de energia extremamente alta, o material de trabalho a 25-50μm de distância do ponto de usinagem permanece na temperatura ambiente. Além disso, a chance de contaminação da obra também é menor, pois o processo é realizado a vácuo.

Resumo das características do EBM:

Usinagem de feixe a laser (LBM) :

Como um feixe de elétrons de alta velocidade, um feixe de laser também é capaz de produzir densidade de potência muito alta. O laser é um feixe de radiação eletromagnética altamente coerente (no espaço e no tempo) com comprimento de onda que varia de 0,1μm a 70μm. No entanto, o requisito de energia para uma operação de usinagem restringe a faixa de comprimento de onda efetivamente utilizável a 0,4-0,6 μm.

Devido ao fato de que os raios de um feixe de laser são perfeitamente paralelos e monocromáticos, ele pode ser focado em um diâmetro muito pequeno e pode produzir uma densidade de potência de até 10 ⁷ W / mm ² . Para desenvolver uma alta potência, normalmente um laser de rubi pulsado é usado. O CO contínuo ₂ -N ₂ o laser também tem sido usado com sucesso em operações de usinagem.

Um tubo de flash de xenônio enrolado é colocado ao redor da haste de rubi e a superfície interna das paredes do contêiner é altamente refletiva para que a luz máxima incida na haste de rubi para a operação de bombeamento. O capacitor é carregado e uma voltagem muito alta é aplicada ao eletrodo de disparo para o início do flash. O feixe de laser emitido é focalizado por um sistema de lentes e o feixe focalizado encontra a superfície de trabalho, removendo uma pequena porção do material por vaporização e ablação em alta velocidade.

Uma fração muito pequena do metal fundido é vaporizada tão rapidamente que um impulso mecânico substancial é gerado, jogando fora uma grande parte do metal líquido. Como a energia liberada pelo tubo de flash é muito maior do que a energia emitida pela cabeça do laser na forma de um feixe de laser, o sistema deve ser resfriado adequadamente.

A eficiência do processo LBM é muito baixa - cerca de 0,3-0,5%. A energia de saída típica de um laser é de 20 J com duração de pulso de 1 milissegundo. O pico de potência atinge um valor de 20.000 W. A divergência do feixe é em torno de 2 x 10 ^-3 rad e, usando uma lente com uma distância focal de 25 mm, o diâmetro do ponto torna-se cerca de 50μm.

Como o feixe de elétrons, o feixe de laser também é usado para perfurar microfuros e cortar fendas muito estreitas. Furos de até 250μm de diâmetro podem ser facilmente perfurados por um laser. A precisão dimensional é de cerca de ± 0,025 mm. Quando a espessura da peça de trabalho é superior a 0,25 mm, nota-se um afunilamento de 0,05 mm por mm.

Mecânica de LBM:

A usinagem por feixe de laser é realizada por meio das seguintes fases:

(i) Interação do feixe de laser com o material de trabalho,

(ii) Condução de calor e aumento de temperatura, e

Uma análise precisa de todo o processo é difícil e está além do escopo deste texto. Devemos, no entanto, discutir alguns aspectos simples de fundamental importância, considerando apenas o aumento da temperatura do material de trabalho até o ponto de fusão; a vaporização e a ablação não serão levadas em consideração em nossa análise.

(i) Interação do feixe de laser com o trabalho:

A aplicação de um feixe de laser na usinagem depende da interação termo-óptica entre o feixe e o material de trabalho sólido. Portanto, é óbvio que a superfície de trabalho não deve refletir muito da energia do feixe incidente. A Figura 6.74 mostra um feixe de laser caindo em uma superfície sólida. A luz absorvida se propaga para o meio e sua energia é gradualmente transferida para os átomos da rede na forma de calor. A absorção é descrita pela lei de Lambert como -

I (Z) =I (0) e ^{- μz}

Onde I (z) denota a intensidade da luz a uma profundidade z (Fig. 6.74) e μ é o coeficiente de absorção. A maior parte da energia é absorvida em uma camada muito fina na superfície (espessura típica de 0,01μm). Portanto, é bastante razoável supor que a energia luminosa absorvida é convertida em calor na própria superfície, e o feixe de laser pode ser considerado equivalente a um fluxo de calor.



(ii) Condução de calor e aumento da temperatura:

A irradiação da superfície a uma temperatura de 3.000 K é da ordem de apenas 600 W / cm ² e é insignificante em comparação com o fluxo de entrada 10 ⁵ -10 ⁷ W / cm ² . Para tornar nossa análise unidimensional, o diâmetro do ponto do feixe é considerado maior do que a profundidade de penetração. Além disso, as propriedades térmicas, por exemplo, condutividade e calor específico, são consideradas como não afetadas pela mudança de temperatura.

Assim, o problema de condução de calor equivalente é representado por um fluxo de calor uniforme H (t) na superfície (Fig. 6.75) de um corpo semi-infinito. A equação para condução de calor para a região z> 0 é -

Penetração do buraco em estado estacionário :

A determinação das dimensões da porção fundida do material é bastante complicada. No entanto, se o poço de fusão (ou orifício) for profundo e estreito, a maior parte da condução de calor do orifício de fusão ocorre através das paredes laterais. Quando a taxa de entrada de calor é igual à taxa de perda de calor pela porção fundida, ela mantém sua forma e tamanho. Em tal condição de estado estacionário, a taxa de perda de calor pela porção fundida (Fig. 6.77) é dada por -









Por experiência. verificou-se que D ≈ 55d. Assim, In (D / d) pode ser aproximadamente 4, e igualando a taxa de entrada de calor à taxa de perda de calor, a relação que obtemos é -



Quando a intensidade do feixe é muito alta (> 10 ⁷ W / cm ² ), o aquecimento é muito rápido e o mecanismo que acabamos de fornecer não é válido. O feixe incidente aquece a superfície rapidamente e a vaporiza. Assim, a superfície da obra onde a viga cai recua à medida que o material vaporiza. Então, se v é a velocidade com a qual a superfície recua, a taxa de entrada de calor necessária para vaporizar o material (igual à taxa de entrada de calor do feixe incidente) é-

H ≈ vL, (6,82)

Onde L é a quantidade de energia para vaporizar uma unidade de volume do material.

Resumo das características de LBM:

Maquinação a arco de plasma (PAM) :

Um plasma é um gás ionizado de alta temperatura. A usinagem do arco de plasma é feita com um jato de alta velocidade de um plasma de alta temperatura. O jato de plasma aquece a peça de trabalho (onde o jato colide com ela), causando um derretimento rápido. O PAM pode ser usado em todos os materiais que conduzem eletricidade, incluindo aqueles que são resistentes ao corte com gás oxi-combustível. Este processo é amplamente utilizado para corte de perfil de placas de aço inoxidável, monel e superligas.

Um plasma é gerado submetendo um fluxo de gás ao bombardeio de elétrons de um arco. Para isso, o arco é montado entre o eletrodo e o bico anódico; o gás é forçado a fluir através deste arco.

Os elétrons de alta velocidade do arco colidem com as moléculas de gás, causando uma dissociação das moléculas diatômicas ou átomos em íons e elétrons, resultando em um aumento substancial na condutividade do gás que agora está em estado de plasma. Os elétrons livres, subsequentemente, aceleram e causam mais ionização e aquecimento. Posteriormente, um novo aumento na temperatura ocorre quando os íons e elétrons livres se recombinam em átomos ou quando os átomos se recombinam em moléculas, pois são processos exotérmicos.

Assim, é gerado um plasma de alta temperatura que é forçado através do bico na forma de um jato. A mecânica de remoção do material é baseada em - (i) aquecimento e fusão, e (ii) remoção do metal fundido pela ação de detonação do jato de plasma.

Para obter mais detalhes, consulte os manuais padrão e livros de referência. Listaremos aqui as características básicas para familiarizar o leitor com o processo.

Resumo das características do PAM: