Explorando Usinagem Não Convencional: Técnicas AJM, EBM, LBM e PAM

Neste artigo, discutiremos os processos de usinagem não convencionais: 1. Usinagem a Jato Abrasivo (AJM) 2. Usinagem por Feixe de Elétrons (EBM) 3. Usinagem por Feixe de Laser (LBM) e 4. Usinagem por Arco de Plasma (PAM). Também aprenderemos sobre: Processo de Usinagem Não Convencional, Características e Classificações.

Usinagem a Jato Abrasivo (AJM)

Na AJM, a remoção de material ocorre devido ao impacto de finas partículas abrasivas. Estas 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. As partículas abrasivas têm tipicamente 0,025 mm de diâmetro e o ar descarrega a uma pressão de várias atmosferas.

Mecânica da AJM:

Quando uma partícula abrasiva impacta a superfície da peça em alta velocidade, o impacto causa uma minúscula fratura frágil e o ar (ou gás) subsequente carrega a pequena partícula da peça deslocada (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 da peça é frágil e quebradiço. Um modelo para estimar a taxa de remoção de material (TRM) está disponível. A TRM devido ao lascamento da superfície da peça pelas partículas abrasivas de impacto é expressa 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 da peça (tensão de escoamento), e X é uma constante.

Parâmetros do Processo da AJM:

As características do processo podem ser avaliadas julgando — (i) a TRM, (ii) a geometria do corte, (iii) a rugosidade da superfície produzida, e (iv) a taxa de desgaste do bico.

Os principais parâmetros que controlam estas quantidades são:

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

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

(iii) O bico (geometria, material, distância e inclinação em relação à superfície da peça).

Discutiremos agora cada um destes parâmetros e seus efeitos:

i. O Abrasivo:

Principalmente dois tipos de abrasivos são usados, a saber, — (i) óxido de alumínio e (ii) carboneto de silício. No entanto, geralmente abrasivos de óxido de alumínio são preferidos na maioria das aplicações. A forma destes grãos não é muito importante, mas, para uma ação de desgaste satisfatória na superfície da peça, estes devem ter arestas cortantes. Pós de Al₂O₃ e SiC com diâmetro nominal de grão de 10-50 μm estão disponíveis. O melhor corte é alcançado quando o diâmetro nominal está entre 15 μm e 20 μm.

A reutilização do pó abrasivo não é recomendada pois — (i) a capacidade de corte diminui após a primeira aplicação, e (ii) a contaminação entope os pequenos orifícios no 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 (razão de mistura) aumenta, a TRM inicialmente aumenta, mas com um aumento adicional na razão de mistura, atinge um máximo e então cai (Fig. 6.3a). Quando a taxa de fluxo de massa do abrasivo aumenta, a TRM também aumenta (Fig. 6.3b).

ii. O Gás:

As unidades AJM normalmente operam a uma pressão de 0,2 N/mm² a 1 N/mm². A composição do gás afeta a TRM indiretamente, pois a relação velocidade-pressão depende desta composição. Uma alta velocidade obviamente causa uma alta TRM mesmo se a taxa de fluxo de massa do abrasivo for mantida constante.

iii. O Bico:

O bico é um dos elementos mais vitais controlando as características do processo. Como está continuamente em contato com os grãos abrasivos fluindo em alta velocidade, o material deve ser muito duro para evitar desgaste significativo. Normalmente, WC ou safira é usado. Para uma operação normal, a área da seção transversal do orifício está entre 0,05 mm² e 0,2 mm².

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

Um dos fatores mais importantes na AJM é a distância entre a superfície da peça e a ponta do bico, normalmente chamada de Distância da Ponta do Bico (NTD). A NTD afeta não apenas a TRM da superfície da peça, mas também a forma e o tamanho da cavidade produzida. A Figura 6.5 mostra o efeito da NTD. Quando a NTD aumenta, a velocidade das partículas abrasivas impactando a superfície da peça aumenta devido à sua aceleração após saírem do bico.

Isso, por sua vez, aumenta a TRM. Com um aumento adicional na NTD, a velocidade reduz devido ao arrasto da atmosfera, que inicialmente freia o aumento na TRM e finalmente a diminui. A Figura 6.6 mostra como a NTD afeta a TRM.

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

Características da AJM:

Usinagem por Feixe de Elétrons (EBM):

Basicamente, a usinagem por feixe de elétrons também é um processo térmico. Aqui, um fluxo de elétrons de alta velocidade impacta a superfície da peça, onde a energia cinética, transferida para o material da peça, produz 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 de elétron de 228.478 km/seg. Como um feixe de elétrons pode ser focalizado em um ponto com diâmetro de 10-200μm, a densidade de potência pode chegar a 6.500 bilhões W/mm². Tal densidade de potência pode vaporizar qualquer substância imediatamente. Assim, a EBM nada mais é do que um processo de vaporização muito precisamente controlado. A EBM é um processo adequado para furação de furos finos e corte de fendas estreitas.

Furos com diâmetro de 25-125μm podem ser furados quase instantaneamente em chapas com espessura até 1,25 mm. A fenda mais estreita que pode ser cortada por EBM tem largura de 25μm. Além disso, um feixe de elétrons pode ser manobrado por bobinas de deflexão magnética, tornando a usinagem de contornos complexos fácil. No entanto, para evitar colisão dos elétrons acelerados com moléculas de ar, o processo deve ser conduzido em 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 diâmetro do ponto quente é dado na Fig. 6.69. É óbvio que a faixa do feixe de elétrons é a 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 aquecido), o feixe é moldado pelo copo de grade, e os elétrons são acelerados devido a uma grande diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo. O feixe é focalizado com a ajuda de lentes eletromagnéticas. As bobinas de deflexão são usadas para controlar o movimento do feixe de qualquer maneira necessária.

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

Ao cortar uma fenda, a velocidade de usinagem normalmente depende da taxa de remoção de material, ou seja, a seção transversal da fenda a ser cortada. Os lados de uma fenda em uma chapa com espessura até 0,1 mm são quase paralelos. Um cone de 1° a 2° é observado em uma fenda cortada em uma chapa mais grossa. Uma pequena quantidade de respingo de material ocorre no lado de incidência do feixe. A Tabela 6.6 dá alguma ideia sobre as capacidades de corte de fenda do feixe de elétrons.

A necessidade de potência é encontrada como aproximadamente proporcional à taxa de remoção de metal. Então, P ≈ CQ, C sendo a constante de proporcionalidade. A Tabela 6.7 dá os valores aproximados de C para diferentes materiais de peça.

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

Mecânica da EBM:

Elétrons são as menores partículas elementares estáveis com massa de 9,109 x 10^-31 kg e carga negativa de 1,602 x 10^-19 coulomb. Quando um elétron é acelerado através de uma diferença de potencial de V volts, a mudança na energia cinética pode ser expressa como 1/2m_e(u² – u₀²) = eV, onde m_e é a massa do elétron, u é a velocidade final, e u₀ é a velocidade inicial. Se assumirmos a velocidade inicial dos elétrons emitidos como negligenciável, a expressão final para a velocidade do elétron u em km/seg é —

u ≈ 600√V (6.67)

Quando um elétron em movimento rápido impacta uma superfície de material, ele penetra através de uma camada sem perturbação. Então, começa a colidir com as moléculas e, finalmente, é trazido ao repouso (Fig. 6.71). A camada através da qual o elétron penetra sem perturbação é chamada de camada transparente.

Somente quando o elétron começa a colidir com os átomos da rede ele começa a ceder sua energia cinética, e calor é gerado. Então, fica claro que a geração de calor ocorre dentro do material, ou seja, abaixo da pele transparente. O alcance total ao qual o elétron pode penetrar (δ) depende da energia cinética, ou seja, da tensão de aceleração V. Descobriu-se que —

Onde δ é o alcance em mm, V é a tensão de aceleração em volts, e ρ é a densidade do material em kg/mm³.

Efeitos da EBM nos Materiais:

Como a usinagem por feixe de elétrons é realizada sem elevar a temperatura do material circundante (exceto uma camada extremamente fina), não há efeito no material da peça. Devido à densidade de energia extremamente alta, o material da peça a 25-50μm do ponto de usinagem permanece em temperatura ambiente. Além disso, a chance de contaminação da peça também é menor, pois o processo é realizado em vácuo.

Resumo das Características da EBM:

Usinagem por Feixe de Laser (LBM)

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

Devido ao fato de que os raios de um feixe de laser são perfeitamente paralelos e monocromáticos, ele pode ser focalizado em um diâmetro muito pequeno e pode produzir uma densidade de potência tão alta quanto 10⁷ W/mm². Para desenvolver alta potência, normalmente um laser de rubi pulsado é usado. O laser contínuo CO₂-N₂ também tem sido usado com sucesso em operações de usinagem.

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

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

A eficiência do processo LBM é muito baixa — cerca de 0,3-0,5%. A energia de saída típica de um laser é 20 J com duração de pulso de 1 milissegundo. A potência de pico atinge um valor de 20.000 W. A divergência do feixe é de cerca de 2 x 10^-3 rad, e, usando uma lente com 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 furar microfuros e cortar fendas muito estreitas. Furos até 250μm de diâmetro podem ser facilmente furados por um laser. A precisão dimensional é de cerca de ±0,025 mm. Quando a espessura da peça é superior a 0,25 mm, um cone de 0,05 mm por mm é notado.

Mecânica da LBM:

A usinagem por um feixe de laser é alcançada através das seguintes fases:

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

(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. Discutiremos, no entanto, certos aspectos simples de importância fundamental, considerando apenas o aumento de temperatura do material da peça até o ponto de fusão; vaporização e ablação não serão levados em conta em nossa análise.

(i) Interação do Feixe de Laser com a Peça:

A aplicação de um feixe de laser na usinagem depende da interação termo-ótica entre o feixe e o material sólido da peça. Então, é óbvio que a superfície da peça não deve refletir de volta muito da energia do feixe incidente. A Figura 6.74 mostra um feixe de laser caindo em uma superfície sólida. A luz absorvida propaga-se no 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 0,01μm). Então, é bastante razoável assumir que a energia da luz 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 de Temperatura:

A re-radiação da superfície a uma temperatura de 3000 K é da ordem de apenas 600 W/cm² e é insignificante comparada com o fluxo de entrada 10⁵-10⁷ W/cm². Para tornar nossa análise unidimensional, o diâmetro do ponto do feixe é assumido como maior que a profundidade de penetração. Além disso, as propriedades térmicas, como condutividade e calor específico, são consideradas inalteradas pela mudança de temperatura.

Então, o problema equivalente de condução de calor 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 de Furo em Estado Estacionário:

A determinação das dimensões da porção fundida do material é bastante complicada. No entanto, se o poço fundido (ou furo) é profundo e estreito, a maior parte da condução de calor do furo fundido 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 —

Da experiência, descobriu-se que D ≈ 55d. Então, ln(D/d) pode ser aproximadamente tomado como 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 (>10⁷ W/cm²), o aquecimento é muito rápido, e o mecanismo que acabamos de dar não é válido. O feixe incidente aquece a superfície rapidamente e a vaporiza. Assim, a superfície da peça onde o feixe cai recua à medida que o material vaporiza. Então, se v é a velocidade com que 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 um volume unitário do material.

Resumo das Características da LBM:

Usinagem por Arco de Plasma (PAM)

Um plasma é um gás ionizado de alta temperatura. A usinagem por arco de plasma é feita com um jato de alta velocidade de um plasma de alta temperatura. O jato de plasma aquece a peça (onde o jato impacta nela), causando uma fusão rápida. O PAM pode ser usado em todos os materiais que conduzem eletricidade, incluindo aqueles resistentes ao corte por gás oxicombustível. Este processo é amplamente usado para corte de perfil de aço inoxidável, monel e chapas de superliga.

Um plasma é gerado submetendo um gás fluindo ao bombardeio de elétrons de um arco. Para isso, o arco é estabelecido 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 dissociação de 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 aumento adicional de temperatura ocorre quando os íons e elétrons livres se recombinam em átomos ou quando os átomos se recombinam em moléculas, pois estes são processos exotérmicos.

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

Para mais detalhes, consulte manuais e livros de referência padrão. Aqui, listaremos as características básicas para familiarizar o leitor com o processo.

Resumo das Características do PAM: