Usinagem Ultrassônica (USM): Fundamentos, Parâmetros, Componentes e Benefícios

Neste artigo, discutiremos sobre usinagem ultrassônica: 1. Usinagem Ultrassônica (USM) e Ferramenta de Usinagem Ultrassônica 2. Mecânica da USM 3. Parâmetros do Processo da USM e Seus Efeitos 4. Componentes da Usinagem Ultrassônica 5. Características da USM.

Conteúdo:

1. Usinagem Ultrassônica (USM) e Ferramenta de Usinagem Ultrassônica
2. Mecânica da USM
3. Parâmetros do Processo da USM e Seus Efeitos
4. Componentes da Usinagem Ultrassônica
5. Características da USM

1. Usinagem Ultrassônica (USM) e Ferramenta de Usinagem Ultrassônica

O uso de ultrassom na usinagem foi proposto pela primeira vez por L. Balamuth em 1945. O primeiro relatório sobre equipamento e tecnologia apareceu durante 1951-52. Em 1954, as máquinas-ferramenta usando o princípio ultrassônico haviam sido projetadas e construídas. Originalmente, a USM era uma operação de acabamento para componentes processados por máquinas de eletroerosão. No entanto, este uso tornou-se menos importante devido aos desenvolvimentos na usinagem por descarga elétrica.

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

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

2. Mecânica da USM:

A física da usinagem ultrassônica não é completa nem incontroversa.

As razões da remoção de material durante a USM são acreditadas ser:

(i) O martelamento das partículas abrasivas na superfície da peça pela ferramenta,

(ii) O impacto das partículas abrasivas livres na superfície da peça,

(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, o impacto direto da ferramenta nos grãos em contato com a peça (responsável pela maior parte da remoção de material) é levado em consideração.

Também, as suposições feitas são que:

(i) A taxa de remoção de material da peça é proporcional ao volume de material da peça por impacto,

(ii) A taxa de remoção de material da peça é proporcional ao número de partículas fazendo impacto por ciclo,

(iii) A taxa de remoção de material da peça 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 esféricos em forma.

Vamos agora considerar o impacto de um grão abrasivo esférico rígido de diâmetro d na superfície da peça. A Figura 6.9 mostra a indentação causada por tal impacto em um instante de tempo.

Se D é o diâmetro da indentação em qualquer instante e h a profundidade correspondente de penetração, 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 a B representa o impacto. As indentções causadas pelo grão na ferramenta e na superfície da peça na posição extrema inferior da ferramenta são mostradas na Fig 6.12. Se a distância percorrida pela ferramenta da posição A à posição B é h (a indentação total), então —

Como a tensão de escoamento σ e a dureza Brinell H são as mesmas, as equações (6.6) e (6.7) resultam em —

Esta taxa de remoção de material é através da ação direta de martelamento dos grãos devido à ferramenta vibratória. Alguns grãos, refletidos pela face da ferramenta em movimento rápido, também impactam a face da peça, e podemos estimar a indentação causada por tais grãos livres. 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. Então, a energia cinética máxima correspondente do grão abrasivo é dada por —

Onde ρ é a densidade do material abrasivo. Se assumirmos que durante a indentação causada por tal grão impactante a força de contato aumenta linearmente com a indentação, então —

Comparando os valores de h_w e h'_w sob condições normais, vemos que h'_w é muito pequeno comparado com h_w, e assim pode-se concluir que a maior parte do material é removida pelos grãos abrasivos impactando diretamente.

A relação (6.11) indica que a taxa de remoção de material é proporcional a d^1/4, mas na verdade é proporcional a d. Esta 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, como mostrado na Fig. 6.14. Em vez de ter uma superfície lisa, ela tem projeções de diâmetro médio d₁.

O diâmetro médio das projeções é observado como proporcional ao quadrado do diâmetro nominal do grão (d). Então,

A relação (6.18) mostra que a TRM é proporcional a d, um fato também confirmado experimentalmente.

A teoria de Shaw tem várias limitações. Por exemplo, não prevê corretamente os efeitos da variação de A, F e v. Quando F é aumentado, a TRM 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 do Processo da USM e Seus Efeitos:

Os parâmetros importantes que afetam o processo são:

(i) Frequência:

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

(ii) Amplitude:

Quando a amplitude de vibração é aumentada, espera-se que a TRM 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 da teoricamente prevista. A principal fonte de discrepância vem 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 da obtida da expressão aproximada, ou seja, (h / A)(T / 4).

(iii) Carga Estática (Força de Avanço):

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

(iv) Razão de Dureza da Ferramenta e da Peça:

A razão entre a dureza da peça e a dureza da ferramenta afeta a TRM de forma bastante significativa, e a característica é mostrada na Fig. 6.17b. Além da dureza, a fragilidade do material da peça desempenha um papel muito dominante. A Tabela 6.2 indica as taxas relativas de remoção de material para diferentes materiais de peça, mantendo os outros parâmetros iguais. Claramente, um material mais frágil é usinado mais rapidamente.

(v) Tamanho do Grão:

A relação (6.18) indica que a TRM deve subir 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 na TRM como mostrado na Fig. 6.18a.

(vi) Concentração do Abrasivo na Pasta:

Como a concentração controla diretamente o número de grãos produzindo impacto por ciclo e também a magnitude de cada impacto, espera-se que a TRM dependa de C. Mas a relação (6.18) mostra que a TRM é esperada para ser proporcional a C^1/4. A variação real é mostrada na Fig. 6.18b para abrasivos B₄C e SiC. Isso está em concordância razoavelmente boa com a previsão teórica. Como a TRM aumenta como C^1/4, o aumento na TRM é bastante baixo depois que C ultrapassou 30%. Assim, um aumento adicional na concentração não ajuda.

Algumas propriedades físicas (ex: viscosidade) do fluido usado para a pasta também afetam a TRM. Experimentos mostram que a TRM cai à medida que a viscosidade aumenta (Fig. 6.19a).

Embora a TRM 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 do grão para vidro e carboneto de tungstênio como material da peça.

Fica claro que o acabamento da superfície é muito mais sensível ao tamanho do grão no caso do vidro. Isso ocorre porque, para uma alta dureza, o tamanho dos fragmentos deslocados através de uma fratura frágil não depende muito do tamanho das partículas impactantes.

Efeitos da USM nos Materiais:

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

4. Componentes da 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 uma vibração na ferramenta. Consiste em um gerador para fornecer uma corrente elétrica de alta frequência, um transdutor para converter isso em um movimento mecânico na forma de uma 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 funciona no princípio magnetostritivo devido à alta eficiência, alta confiabilidade na faixa de 15-30 kHz, baixa tensão de alimentação e arranjo de resfriamento simples. Laminações são usadas para reduzir perdas como em transformadores. As dimensões são escolhidas para que a frequência natural coincida com a frequência de alimentação elétrica. Quase todas as máquinas modernas usam transdutores de magnetostrição feitos de níquel (laminações de 0,1-0,2 mm de espessura).

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

(ii) Mecanismo de Avanço:

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

Os tipos básicos de mecanismos de avanço são:

(a) Tipo contrapeso,

(b) Tipo mola,

(c) Tipo pneumático e hidráulico,

(d) Tipo 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. Ferramentas de alumínio e latão desgastam dez e cinco vezes mais rápido que ferramentas de aço, respectivamente. As características geométricas são decididas pelo processo. O diâmetro do círculo circunscrito sobre a ferramenta não deve ser mais 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 feita oca, o contorno interno deve ser paralelo ao externo para garantir 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 feitas mais finas que 0,5 mm a 0,8 mm. Ao projetar a ferramenta, deve-se dar consideração à folga lateral que é normalmente 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 (B₄C), (ii) carboneto de silício (SiC), (iii) coríndon (Al₂O₃), (iv) diamante, e (v) carboneto de boro-silício (muito eficiente) cujo poder abrasivo é cerca de 10% maior que o de B₄C. B₄C é o melhor e mais eficiente entre os demais, mas é caro. SiC é usado em vidro, germânio e algumas cerâmicas. O tempo de corte com SiC é cerca de 20-40% maior que com B₄C. Coríndon é muito menos eficiente e o tempo de corte é cerca de 3-4 vezes o de B₄C. 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. Descobriu-se que a TRM tende a diminuir com o aumento da viscosidade.

5. Características da USM: