Usinagem ultrassônica (USM):Mecânica, Parâmetros do Processo, Elementos, Ferramentas e Características

Neste artigo, discutiremos sobre a usinagem ultrassônica:- 1. Usinagem ultrassônica (USM) e Ferramenta de usinagem ultrassônica 2. Mecânica da USM 3. Parâmetros do processo de USM e seu efeito 4. Componentes da usinagem ultrassônica 5. Características de Usinagem ultrassônica.

Conteúdo:

Ferramenta de usinagem ultrassônica (USM) e ferramenta de usinagem ultrassônica
Mecânica de USM
Parâmetros de processo de USM e seus efeitos
Componentes de usinagem ultrassônica
Características do USM

1. Ultrasonic Machining (USM) e Ultrasonic Machining Tool :

O uso de ultrassom na usinagem foi proposto pela primeira vez por L. Balamuth em 1945. O primeiro relatório sobre o equipamento e a tecnologia apareceu durante 1951-52. Em 1954, as máquinas-ferramenta, usando o princípio ultrassônico, foram projetadas e construídas. Originalmente, USM costumava ser uma operação de acabamento para os componentes processados pelas máquinas de eletro faísca. No entanto, esse uso tornou-se menos importante devido ao desenvolvimento da usinagem por descarga elétrica.

Mas, então, com o boom da eletrônica de estado sólido, a usinagem de materiais eletricamente não condutores, semicondutores e frágeis tornou-se cada vez mais importante e, por esse motivo, a usinagem ultrassônica novamente ganhou importância e destaque. Nos últimos anos, vários tipos de máquinas-ferramentas ultrassônicas foram desenvolvidos. Claro, a técnica USM ainda está longe de ser perfeita.

O processo USM básico envolve uma ferramenta (feita de um material dúctil e resistente) vibrando com uma frequência muito alta e um fluxo contínuo de uma pasta abrasiva no pequeno espaço entre a ferramenta e a superfície de trabalho . A ferramenta é gradualmente alimentada com uma força uniforme. O impacto dos grãos abrasivos duros fratura a superfície de trabalho dura e quebradiça, resultando na remoção do material de trabalho na forma de pequenas partículas de desgaste que são carregadas pela lama abrasiva. O material da ferramenta, sendo resistente e dúctil, se desgasta muito mais lentamente.

2. Mecânica do USM:

A física da usinagem ultrassônica não é completa nem incontroversa.

Acredita-se que os motivos da remoção do material durante a USM sejam:

(i) O martelamento das partículas abrasivas na superfície de trabalho pela ferramenta,

(ii) O impacto das partículas abrasivas livres na superfície de trabalho,

(iii) A erosão devido à cavitação e

(iv) A ação química associada ao fluido usado.

Vários pesquisadores tentaram desenvolver teorias para prever as características da usinagem ultrassônica. O modelo proposto por M.C. Shaw é geralmente bem aceito e, apesar de suas limitações, explica o processo de remoção de material razoavelmente bem. Neste modelo, é levado em consideração o impacto direto da ferramenta nos grãos em contato com a peça de trabalho (responsável pela maior parte da retirada do material).

Além disso, as suposições feitas são que:

(i) A taxa de remoção do material de trabalho é proporcional ao volume de material de trabalho por impacto,

(ii) A taxa de remoção do material de trabalho é proporcional ao número de partículas que causam impacto por ciclo,

(iii) A taxa de remoção do material de trabalho é proporcional à frequência (número de ciclos por unidade de tempo),

(iv) Todos os impactos são idênticos,

(v) Todos os grãos abrasivos são idênticos e de formato esférico.

Vamos agora considerar o impacto de um grão abrasivo esférico rígido de diâmetro na superfície de trabalho. A Figura 6.9 mostra o recuo causado por tal impacto em um instante de tempo.

Se D é o diâmetro do recuo em qualquer instante eh a profundidade de penetração correspondente, obtemos, da Fig. 6.9,

As várias posições da ferramenta durante um ciclo são mostradas na Fig. 6.11. A posição A indica o instante em que a face da ferramenta toca o grão abrasivo e o período de movimento de A para B representa o impacto. Os recuos, causados por o grão na ferramenta e a superfície de trabalho na posição inferior extrema da ferramenta são mostrados na Fig 6.12. Se a distância percorrida pela ferramenta da posição A para a posição B for h (o recuo total), então-

Uma vez que a tensão de fluxo σ e a dureza Brinell H são iguais, as equações (6.6) e (6.7) produzem -

Esta taxa de remoção de material ocorre através da ação de martelamento direto dos grãos devido à ferramenta vibratória. Alguns grãos, refletidos pela face da ferramenta de movimento rápido, também colidem com a face de trabalho, e podemos estimar a indentação causada por tais grãos que se movem livremente. A Figura 6.13 mostra um grão refletido pela ferramenta. Durante a vibração, a velocidade máxima da face da ferramenta é 2πvA.

Como a velocidade original de um grão abrasivo é pequena, sua velocidade máxima é, obviamente, da ordem de 2πvA. Assim, a energia cinética máxima correspondente do grão abrasivo é dada por -

Onde ρ é a densidade do material abrasivo. Se assumirmos que durante o recuo causado por tal grão colidindo, a força de contato aumenta linearmente com o recuo, então -

Comparando os valores de h _w e h ’_w sob condições normais, vemos que h ’_w é muito pequeno em comparação com h _w , podendo-se concluir que a maior parte do material é removida pelos grãos abrasivos impactantes diretamente.

Relação (6.11) indica que a taxa de remoção de material é proporcional a d ^1/4 , mas na verdade é proporcional a d. Essa discrepância entre a previsão teórica e o fato observado foi explicada por Shaw da seguinte forma.

A forma real de um grão abrasivo não é esférica, conforme mostrado na Fig. 6.14. Em vez de ter uma superfície lisa, possui projeções de diâmetro médio d ₁ .

O diâmetro médio das projeções observa-se ser proporcional ao quadrado do diâmetro nominal do grão (d). Então,

A relação (6.18) mostra que o mrr é proporcional ad, fato também confirmado experimentalmente.

A teoria de Shaw tem uma série de limitações. Por exemplo, ele não prevê corretamente os efeitos da variação de A, F e v. Quando F é aumentado, o mrr aumenta, como mostrado na Fig. 6.15. Isso também é confirmado pela relação (6.18). No entanto, na prática, Q começa a diminuir após algum valor de F porque os grãos abrasivos são esmagados sob carga pesada.

3. Parâmetros de processo do USM e seus efeitos:

Os parâmetros importantes que afetam o processo são:

(i) Frequência:

Como pode ser visto na relação (6.18), o mrr aumenta linearmente com a frequência. Na prática também, o mrr aumenta com a frequência (ver Fig. 6.16a), mas a característica real não é exatamente linear. O mrr tende a ser um pouco menor do que o valor teoricamente previsto.

(ii) Amplitude:

Quando a amplitude da vibração é aumentada, espera-se que o mrr aumente, como pode ser visto na relação (6.18). A natureza real da variação é mostrada na Fig. 6.16b para diferentes valores de frequência. Novamente, a característica real é um pouco diferente daquela prevista teoricamente. A principal fonte de discrepância decorre do fato de que calculamos a duração da penetração Δt considerando a velocidade média (=A / (T / 4)). A característica de variação de Δt, dada por -

é bastante diferente daquela obtida a partir da expressão aproximada, ou seja, (h / A) (T / 4).

(iii) Carregamento estático (Feed Force):

Com um aumento na carga estática (ou seja, a força de alimentação), o mrr tende a aumentar. No entanto, na prática, ela tende a diminuir além de um certo valor crítico da força conforme os grãos começam a ser esmagados. A natureza da variação do mrr com a força de alimentação (para várias amplitudes) é mostrada na Fig. 6.17a.

(iv) Razão de dureza da ferramenta e da peça de trabalho:

A relação entre a dureza da peça de trabalho e a dureza da ferramenta afeta o mrr significativamente, e a característica é mostrada na Fig. 6.17b. Além da dureza, a fragilidade do material de trabalho desempenha um papel muito dominante. A Tabela 6.2 indica as taxas relativas de remoção de material para diferentes materiais de trabalho, mantendo os demais parâmetros iguais. Claramente, um material mais frágil é usinado mais rapidamente.

(v) Tamanho do grão:

A relação (6.18) indica que o mrr deve aumentar proporcionalmente com o diâmetro médio do grão d. No entanto, quando d se torna muito grande e se aproxima da magnitude da amplitude A, a tendência de esmagamento aumenta, resultando em uma queda no mrr como mostrado na Fig. 6.18a.

(vi) Concentração de abrasivo na pasta:

Uma vez que a concentração controla diretamente o número de grãos que produzem impacto por ciclo e também a magnitude de cada impacto, espera-se que o mrr dependa de C. Mas a relação (6.18) mostra que o mrr é esperado para ser proporcional a C ^1/4 . A variação real é mostrada na Fig. 6.18b para B ₄ Abrasivos C e SiC. Isso está de acordo com a previsão teórica. Uma vez que o mrr aumenta como C ^1/4 , o aumento no mrr é bastante baixo depois que C ultrapassou 30%. Assim, um novo aumento na concentração não ajuda.

Algumas propriedades físicas (por exemplo, viscosidade) do fluido usado para a pasta também afetam o mrr. Experimentos mostram que o mrr diminui à medida que a viscosidade aumenta (Fig. 6.19a).

Embora o mrr seja uma consideração muito importante para julgar o desempenho de uma operação USM, a qualidade do acabamento obtido também deve ser considerada para uma avaliação adequada. Em uma operação USM, o acabamento da superfície depende principalmente do tamanho dos grãos abrasivos. A Figura 6.19b mostra uma variação típica do valor médio da irregularidade da superfície com o tamanho médio de grão para vidro e carboneto de tungstênio como material de trabalho.

É claro que o acabamento da superfície é muito mais sensível ao tamanho do grão no caso do vidro. Isso porque, para uma alta dureza, o tamanho dos fragmentos desalojados por uma fratura quebradiça não depende muito do tamanho das partículas impactantes.

Efeitos do USM nos materiais:

Como a força de corte envolvida é muito pequena, o processo não produz tensão e aquecimento apreciáveis. Portanto, a estrutura do material permanece inalterada. No entanto, durante o corte de um furo, pode ocorrer lascamento no lado de saída do furo. Para evitar isso, a peça de trabalho feita de um material quebradiço é presa a uma base geralmente feita de vidro.

4. Componentes de usinagem ultrassônica:

Os componentes importantes da máquina são:

(i) Cabeça acústica :

A cabeça acústica (Fig. 6.22) é talvez a parte mais importante da máquina. Sua função é produzir vibração na ferramenta. Consiste em um gerador para fornecer corrente elétrica de alta frequência, um transdutor para convertê-la em um movimento mecânico na forma de vibração de alta frequência, um suporte para segurar a cabeça e um concentrador para amplificar mecanicamente a vibração enquanto a transmite para a ferramenta.

A maioria dos transdutores trabalha com o princípio magnetostritivo devido à alta eficiência, alta confiabilidade na faixa de 15-30 kHz, baixa tensão de alimentação e arranjo de resfriamento simples. As estampagens são usadas para reduzir as perdas como nos transformadores. As dimensões são escolhidas de forma que a freqüência natural coincida com a freqüência da alimentação elétrica. Quase todas as máquinas modernas usam os transdutores de magnetostrição feitos de níquel (estampados de 0,1-0,2 mm de espessura).

O objetivo principal do concentrador é aumentar a amplitude até o nível necessário para o corte. Vários tipos de concentradores são usados (Fig. 6.23a). A Figura 6.23b mostra como a amplitude da vibração longitudinal do conjunto transdutor-concentrador é amplificada. Deve-se observar que o sistema deve ser preso ao corpo principal em um ponto nodal, conforme mostrado.

(ii) Mecanismo de alimentação :

O objetivo do mecanismo de avanço é aplicar a força de trabalho durante a operação de usinagem. Um instrumento que mostra o movimento da ferramenta indica a profundidade da usinagem.

Os tipos básicos de mecanismos de feed são:

(a) Tipo de contrapeso,

(b) Tipo de mola,

(c) Tipo pneumático e hidráulico,

(d) Tipo de motor.

(iii) Ferramenta:

A ferramenta é feita de um metal forte, mas ao mesmo tempo dúctil. Geralmente, aços inoxidáveis e aços de baixo carbono são usados para fazer as ferramentas. As ferramentas de alumínio e latão se desgastam dez e cinco vezes mais rápido do que as ferramentas de aço, respectivamente. As características geométricas são decididas pelo processo. O diâmetro do círculo circunscrito em torno da ferramenta não deve ser maior que 1,5 a 2 vezes o diâmetro da extremidade do concentrador e a ferramenta deve ser o mais curta e rígida possível.

Quando a ferramenta é vazada, o contorno interno deve ser paralelo ao externo para garantir um desgaste uniforme. A espessura de qualquer parede ou projeção deve ser pelo menos cinco vezes o tamanho do grão do abrasivo. Em uma ferramenta oca, as paredes não devem ser mais finas do que 0,5 mm a 0,8 mm. Ao projetar a ferramenta, deve-se considerar a folga lateral que normalmente é da ordem de 0,06 mm a 0,36 mm, dependendo do tamanho do grão do abrasivo.

(iv) Pasta abrasiva:

Os abrasivos mais comuns são - (i) carboneto de boro (B ₄ C), (ii) carboneto de silício (SiC), (iii) corindo (Al ₂ O ₃ ), (iv) diamante e (v) silicarbeto de boro (muito eficiente), cujo poder abrasivo é cerca de 10% a mais que o de B ₄ C. B ₄ C é o melhor e mais eficiente entre os demais, mas é caro. O SiC é usado em vidro, germânio e algumas cerâmicas. O tempo de corte com SiC é cerca de 20-40% mais do que com B ₄ C. Corindo é muito menos eficiente e o tempo de corte é cerca de 3-4 vezes do que com B ₄ C. O pó de diamante é usado apenas para cortar diamantes e rubis.

Embora a água seja o fluido mais comumente usado na pasta, outros líquidos, como benzeno, glicerol e óleos, também são usados. Verificou-se que o mrr tende a diminuir com o aumento da viscosidade.

5. Características de USM:

Processos de usinagem não convencionais:AJM, EBM, LBM &PAM | Fabricação Usinagem por Descarga Elétrica (EDM):Mecânica, Princípios de Trabalho e Circuitos (com Diagrama)

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