Usinagem por Descarga Elétrica (EDM):Mecânica, Princípios de Trabalho e Circuitos (com Diagrama)

Neste artigo iremos discutir sobre a usinagem por descarga elétrica (EDM):- 1. Introdução à Usinagem por Descarga Elétrica (EDM) 2. Mecânica da EDM 3. Circuitos EDM e Princípios de Trabalho (com Diagrama) 4. Acabamento de Superfície e Precisão de usinagem 5. Papel do eletrodo da ferramenta e dos fluidos dielétricos no EDM 6. Efeitos do EDM nas superfícies metálicas 7. Características.

Conteúdo:

1. Introdução à Usinagem de Descarga Elétrica (EDM)
2. Mecânica de EDM
3. Circuitos EDM e princípios de funcionamento (com diagrama)
4. Acabamento de superfície e precisão de usinagem de EDM
5. Função do eletrodo da ferramenta e dos fluidos dielétricos no EDM
6. Efeitos do EDM em superfícies de metal
7. Características do EDM

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1. Introdução à Usinagem de Descarga Elétrica (EDM) :

O uso de uma fonte termoelétrica de energia no desenvolvimento de técnicas não tradicionais tem ajudado muito na obtenção de uma usinagem econômica de materiais de usinabilidade extremamente baixa e trabalhos difíceis. O processo de remoção de material por uma erosão controlada por meio de uma série de faíscas elétricas, comumente conhecido como usinagem por descarga elétrica, foi iniciado pela primeira vez na URSS por volta de 1943. Em seguida, a pesquisa e o desenvolvimento trouxeram esse processo ao seu nível atual.

Quando ocorre uma descarga entre dois pontos do ânodo e do cátodo, o intenso calor gerado perto da zona derrete e evapora os materiais na zona de centelhamento. Para melhorar a eficácia, a peça de trabalho e a ferramenta são submersas em um fluido dielétrico (hidrocarbonetos ou óleos minerais). Foi observado que se ambos os eletrodos são feitos do mesmo material, o eletrodo conectado ao terminal positivo geralmente sofre erosão em uma taxa mais rápida. Por esta razão, a peça de trabalho normalmente é feita de ânodo. Uma folga adequada, conhecida como centelha, é mantida entre a ferramenta e as superfícies da peça de trabalho.

As faíscas são feitas para disparar em alta frequência com uma fonte adequada. Como a faísca ocorre no local onde a ferramenta e as superfícies da peça de trabalho estão mais próximas e como o ponto muda após cada faísca (devido à remoção do material após cada faísca), as faíscas viajam por toda a superfície. Isso resulta em uma remoção uniforme de material em toda a superfície e, finalmente, a face de trabalho se adapta à superfície da ferramenta. Assim, a ferramenta produz a impressão necessária na peça de trabalho.

Para manter a centelha predeterminada, uma unidade de controle de servo é geralmente usada. A lacuna é detectada por meio da tensão média através dela e essa tensão é comparada com um valor predefinido. A diferença é usada para controlar o servomotor. Às vezes, um motor de passo é usado em vez de um servomotor. Claro, para operações muito primitivas, um controle de solenóide também é possível e, com isso, a máquina se torna extremamente barata e simples de construir.

A frequência da centelha está normalmente na faixa de 200-500.000 Hz, o intervalo da centelha sendo da ordem de 0,025-0,05 mm. A tensão de pico através do gap é mantida na faixa de 30-250 volts. Um mrr de até 300 mm ³ / min pode ser obtido com este processo, sendo a potência específica da ordem de 10 W / mm ³ / min. A eficiência e a precisão de desempenho foram encontradas para melhorar quando uma circulação forçada do fluido dielétrico é fornecida. O fluido dielétrico mais comumente usado é o querosene. A ferramenta é geralmente feita de latão ou liga de cobre.

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2. Mecânica do EDM:

A Figura 6.52 mostra os detalhes das superfícies do eletrodo. Embora as superfícies possam parecer lisas, as asperezas e irregularidades estão sempre presentes, como indicado (de forma exagerada, claro). Como resultado, a lacuna local varia e, em um dado instante, é mínima em um ponto (digamos, A). Quando uma tensão adequada é construída através da ferramenta e da peça de trabalho (o cátodo e o ânodo, respectivamente), um campo eletrostático de força suficiente é estabelecido, causando a emissão fria de elétrons do cátodo em A.



Esses elétrons liberados aceleram em direção ao ânodo. Depois de ganhar velocidade suficiente, os elétrons colidem com as moléculas do fluido dielétrico, quebrando-as em elétrons e íons positivos. Os elétrons assim produzidos também aceleram e podem, em última instância, desalojar os outros elétrons das moléculas do fluido dielétrico. Por fim, uma coluna estreita de moléculas de fluido dielétrico ionizado é estabelecida em A conectando os dois eletrodos (causando uma avalanche de elétrons, uma vez que a condutividade da coluna ionizada é muito grande, o que normalmente é visto como uma faísca).

Como resultado dessa faísca, uma onda de choque de compressão é gerada e uma temperatura muito alta é desenvolvida nos eletrodos (10.000-12.000 ° C). Tão alto temperatura causa o derretimento e vaporização dos materiais do eletrodo, e os metais fundidos são evacuados por uma explosão mecânica, resultando em pequenas crateras em ambos os eletrodos em A. Assim que isso acontecer, a lacuna entre os eletrodos em A aumenta e no próximo a localização da lacuna mais curta está em outro lugar (digamos, B).

Portanto, quando o ciclo é repetido, a próxima faísca ocorre em B. Dessa forma, as faíscas vagam por toda a superfície do eletrodo e, em última análise, o processo resulta em uma lacuna uniforme. Portanto, dependendo da forma do eletrodo negativo, uma impressão é criada no outro eletrodo.

Geralmente, a taxa de remoção de material do cátodo é comparativamente menor do que a do ânodo devido às seguintes razões:

(i) O momento com o qual a corrente de elétrons atinge o ânodo é muito maior do que devido à corrente de íons positivos que incide sobre o cátodo, embora a massa de um elétron individual seja menor do que a dos íons positivos.

(ii) A pirólise do fluido dielétrico (normalmente um hidrocarboneto) cria uma fina película de carbono no cátodo.

(iii) Uma força compressiva é desenvolvida na superfície do cátodo. Portanto, normalmente, a ferramenta é conectada ao terminal negativo da fonte CC.

Se a ferramenta estiver estacionária em relação à peça de trabalho, a lacuna aumenta à medida que a remoção do material avança, sendo necessário um aumento da tensão para iniciar as faíscas. Para evitar este problema, a ferramenta é alimentada com o auxílio de um servoconversor que detecta a magnitude do gap médio e o mantém constante.

A seguir, tentaremos uma determinação teórica da taxa de remoção de material durante a usinagem por descarga elétrica. Ao fazer isso, embora os resultados quantitativos não sejam obtidos, muitas características importantes se tornarão evidentes. Por ora, bastaria entender o efeito de apenas uma centelha.

A quantidade de material removido devido a uma única descarga pode ser determinada considerando o diâmetro da cratera e a profundidade na qual a temperatura de fusão é atingida.

Para fazer isso, devemos fazer as seguintes suposições:

(i) A centelha é uma fonte de calor circular uniforme na superfície do eletrodo e o diâmetro (=2a) dessa fonte circular permanece constante.

(ii) A superfície do eletrodo é uma região semi-infinita.

(iii) Exceto para a parte da fonte de calor, a superfície do eletrodo é isolada.

(iv) A taxa de entrada de calor permanece constante ao longo da duração da descarga.

(v) As propriedades do material do eletrodo não mudam com a temperatura.

(vi) A vaporização do material do eletrodo é desprezada.

A Figura 6.53 mostra os detalhes da fonte de calor idealizada. Em nossa análise, H- quantidade de entrada de calor (cal), θ =temperatura (° C), t =tempo (seg), k =condutividade térmica (cal / cm-seg- ° C), α =difusividade térmica (cm ² / seg), t _d =duração da descarga (seg), e θ _m =temperatura de fusão (° C).



Por causa da simetria circular, a temperatura em qualquer ponto depende de r e z. A equação para condução de calor é -



Visto que, intuitivamente, pode-se ver que a profundidade em que a temperatura de fusão é atingida é máxima no centro, nosso interesse está na solução em r =0. A temperatura em um ponto do eixo no final da descarga ( assumindo que a temperatura máxima é alcançada em t =t _d quando a entrada de calor para neste instante) é dada por -





Portanto, é claro que Z dá uma indicação do volume de material removido por cada centelha. A Figura 6.54a mostra os valores teóricos de Z para uma dada energia da centelha e um diâmetro de centelha constante para Cu, Al e Zn como os materiais do eletrodo. A Figura 6.54b descreve a natureza real da variação do volume da cratera com t _d para diferentes energias de centelha. As tendências são bastante semelhantes.

Uma característica importante que se torna evidente a partir desses resultados é que a remoção de material é muito baixa para um pequeno tempo de descarga e aumenta com t _d . Então, atingindo um valor de pico, ele cai repentinamente para zero. Além disso, foi estabelecido que o material removido por descarga depende fortemente do ponto de fusão do material.

O efeito da cavitação no processo de remoção mecânica também é importante. O mrr durante uma única faísca plotada contra o tempo é mostrado na Fig. 6.55. Claramente, o mrr é máximo quando a pressão está abaixo da atmosférica, mostrando a importância da cavitação.



Para chegar a uma estimativa aproximada, relações empíricas foram desenvolvidas para a taxa de remoção de material durante o EDM. Uma vez que o tamanho da cratera depende da energia da centelha (assumindo que todas as outras condições permanecem inalteradas), a profundidade e o diâmetro da cratera são dados por -





Nesta relação, assumimos uma condição média de centelhamento.

O mrr também depende fortemente da circulação do fluido dielétrico. Sem uma circulação forçada, as partículas de desgaste derretem repetidamente e se reúnem com o eletrodo. A Figura 6.56 mostra a natureza das características do mrr sem e com uma circulação forçada do dielétrico.

Depois que a descarga for concluída, o meio dielétrico em torno da última faísca deve ser desionizado. Para isso, a tensão na lacuna deve ser mantida abaixo da tensão de descarga até que a deionização seja concluída; caso contrário, a corrente começa a fluir novamente através da lacuna no local da descarga anterior. O tempo necessário para uma desionização completa depende da energia liberada pela descarga anterior. Uma maior liberação de energia resulta em um tempo de desionização mais longo.

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3. Circuitos EDM e Princípios de Trabalho (com Diagrama):

Vários circuitos elétricos basicamente diferentes estão disponíveis para fornecer a CC pulsante através da lacuna da ferramenta de trabalho. Embora as características operacionais sejam diferentes, em quase todos esses circuitos um capacitor é usado para armazenar a carga elétrica antes que a descarga ocorra no intervalo. A adequação de um circuito depende das condições e requisitos de usinagem.

Os princípios comumente usados ​​para fornecer a CC pulsante podem ser classificados nos seguintes três grupos:

(i) Circuito de relaxamento de resistência-capacitância com uma fonte CC constante.

(ii) Gerador de impulso rotativo.

(iii) Circuito de pulso controlado.

(i) Circuito de relaxamento de resistência-capacitância:

O circuito de relaxamento de resistência-capacitância foi usado quando as máquinas de descarga elétrica foram desenvolvidas pela primeira vez. A Figura 6.57a mostra um circuito RC simples. Como fica claro nesta figura, o capacitor C (que pode ser variado) é carregado através de uma resistência variável R pela fonte cc de tensão V ₀ .



A tensão no gap (que é quase a mesma que no capacitor) V varia com o tempo de acordo com a relação em que t denota o tempo começando no instante V ₀ é aplicado.



Então, V se aproximará de V ₀ assintoticamente, como mostrado na Fig. 6.57b, se permitido. Se a lacuna de trabalho da ferramenta e o fluido dielétrico são tais que uma faísca pode ocorrer quando a tensão através da lacuna atinge um valor V _d (comumente conhecido como a tensão de descarga), uma faísca ocorrerá, descarregando o capacitor completamente sempre que a tensão através da lacuna de trabalho da ferramenta (V) atingir V _d .

O tempo de descarga é muito menor (cerca de 10%) do que o tempo de carga e a frequência de faíscas (v) é dada aproximadamente pela seguinte equação (uma vez que o tempo necessário para a deionização também é muito pequeno em circunstâncias normais) -





Assim, para entrega máxima de energia, a tensão de descarga deve ser 72% da tensão de alimentação V ₀ .

Se assumirmos que o material removido por faísca é proporcional à energia liberada por faísca, então o mrr pode ser expresso como -



(ii) Gerador de impulso rotativo:

O circuito de relaxamento para geração de faíscas, embora simples, tem certas desvantagens. Destes, uma desvantagem importante é que o mrr não é alto. Para aumentar a taxa de remoção, um gerador de impulso é usado para geração de faíscas. A Figura 6.59 mostra o diagrama esquemático de tal sistema. O capacitor é carregado através do diodo durante o primeiro meio ciclo. Durante o meio ciclo seguinte, a soma das tensões geradas pelo gerador e o capacitor carregado é aplicada à lacuna da ferramenta de trabalho.



A frequência operacional é a frequência da geração da onda senoidal que depende da velocidade do motor. Embora o mrr seja mais alto, esse sistema não produz um bom acabamento de superfície.

(iii) Circuitos de pulso controlados:

Nos dois sistemas que discutimos, não há provisão para uma prevenção automática do fluxo de corrente quando um curto-circuito é desenvolvido. Para obter esse controle automático, um tubo de vácuo (ou um transistor) é usado como dispositivo de comutação. Este sistema é conhecido como circuito de pulso controlado. A Figura 6.60 mostra esquematicamente esse sistema. Durante a centelha, a corrente que flui pela lacuna vem do capacitor.

Quando a corrente flui através da lacuna, o tubo da válvula (VT) é inclinado para cortar e se comporta como uma resistência infinita. O controle de bias é feito através de um Controle Eletrônico (EC). Assim que a corrente no gap cessa, a condutividade do tubo aumenta, permitindo que o fluxo de corrente carregue o capacitor para o próximo ciclo.



O circuito pode ser simplificado e a estabilidade operacional melhorada se o fluxo de corrente for permitido ciclicamente com uma frequência imposta. Isso pode ser feito controlando a polarização com a ajuda de um oscilador. Neste caso, o capacitor não é necessário. A Figura 6.61 mostra tal circuito, usando um transistor.

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4. Acabamento de superfície e precisão de usinagem de EDM:

Visto que a remoção de material no EDM é conseguida através da formação de crateras devido às faíscas, é óbvio que grandes tamanhos de crateras (especialmente a profundidade) resultam em uma superfície rugosa. Assim, o tamanho da cratera, que depende principalmente da energia / centelha, controla a qualidade da superfície. A Figura 6.62 mostra como H _rms (valor da raiz quadrada média da irregularidade da superfície) depende de C e V ₀ .



A profundidade da cratera (h _c ) pode ser aproximadamente expresso em termos da energia liberada por faísca (E) como -



A dependência do acabamento superficial na energia de pulso E e a comparação do acabamento superficial com aquele obtido pelos processos convencionais são indicados na Fig. 6.63. Muito esforço foi despendido para determinar uma relação adequada entre a taxa de remoção de material e a qualidade do acabamento superficial. Mas uma relação muito confiável de aplicabilidade geral ainda está para surgir. No entanto, o mrr e a irregularidade da superfície, ao usinar aço em condições normais, estão aproximadamente relacionados como -



Onde H _rms é a raiz quadrada média da irregularidade da superfície em mícrons e Q é a taxa de remoção de material em mm ³ / min.

Descobriu-se que a circulação forçada do dielétrico geralmente melhora o acabamento da superfície. As seções transversais da superfície do eletrodo de latão produzida por EDM com e sem a circulação forçada (tensão 40 V, corrente 0,2 A, frequência 1,12 kHz) são mostradas na Fig. 6.64. É claro que a circulação forçada leva a uma melhoria significativa no acabamento da superfície.

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5. Função do eletrodo da ferramenta e dos fluidos dielétricos no EDM:

Os eletrodos desempenham um papel extremamente importante na operação do EDM e, portanto, certos aspectos do eletrodo da ferramenta devem ser mantidos em mente para obter melhores resultados.

a. Desgaste do eletrodo da ferramenta:

Durante a operação de EDM, o eletrodo (ou seja, a ferramenta), como já mencionado, também sofre erosão devido à ação de centelha. Os materiais com boas características de desgaste do eletrodo são os mesmos que geralmente são difíceis de usinar. Um dos principais materiais usados ​​para a ferramenta é o grafite, que vai direto para a fase de vapor sem derreter. A taxa de desgaste (r _Q ), definido pela relação entre o material removido da obra e o material removido da ferramenta, está relacionado com r _θ (=ponto de fusão do trabalho / ponto de fusão da ferramenta) como -



b. Material do eletrodo:

A seleção do material do eletrodo depende de:

(i) Taxa de remoção de material,

(ii) Taxa de desgaste,

(iii) Facilidade de moldar o eletrodo,

(iv) Custo.

Os materiais de eletrodo mais comumente usados ​​são latão, cobre, grafite, ligas A1, ligas de cobre-tungstênio e ligas de prata-tungstênio.

Os métodos usados ​​para fazer os eletrodos são:

(i) Usinagem convencional (usado para cobre, latão, ligas Cu-W, ligas Ag-W e grafite),

(ii) Fundição (usado para liga de fundição sob pressão de base de Zn, ligas de Zn-Sn e ligas de Al),

(iii) Pulverização de metal,

(iv) Moldagem por prensagem.

Orifícios de fluxo são normalmente fornecidos para a circulação do dielétrico, e esses orifícios devem ser os maiores possíveis para cortes bruscos para permitir grandes taxas de fluxo em baixa pressão.

c. Fluidos dielétricos:

Os requisitos básicos de um fluido dielétrico ideal são:

(i) Baixa viscosidade,

(ii) Ausência de vapores tóxicos,

(iii) Neutralidade química,

(iv) Ausência de tendência inflamada,

(v) Baixo custo.

A água comum possui quase todas essas propriedades, mas por causar ferrugem no trabalho e na máquina, não é utilizada. Outra razão pela qual a água não é recomendada é a seguinte. Os eletrodos estão constantemente sob alguma diferença de potencial e, devido à boa condutividade da água, o processo de ECM começa a distorcer a peça de trabalho. Além disso, energia é desperdiçada. No entanto, em alguns casos, é utilizada água desionizada.

O tipo de fluido mais comumente usado é o óleo de hidrocarboneto (petróleo). Querosene, parafina líquida e óleos de silicone também são usados ​​como fluidos dielétricos.

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6. Efeitos do EDM nas superfícies metálicas:

A alta temperatura gerada pelas faíscas provoca a fusão e vaporização do metal e, obviamente, essa alta temperatura afeta as propriedades das camadas rasas (2,5-150μm) da superfície usinada.

A camada mais externa é resfriada rapidamente e, portanto, muito dura. A camada diretamente abaixo dela está em uma condição um tanto temperada. A Figura 6.67 mostra a variação da dureza com a profundidade para operações de EDM de desbaste e acabamento em aço. É claro que na usinagem de acabamento esse endurecimento não é proeminente. No entanto, a camada externa é temperada e a dureza é baixa.



O endurecimento da camada superficial durante a operação de EDM confere uma melhor característica de resistência ao desgaste. No entanto, a resistência à fadiga é reduzida devido às microfissuras que se desenvolvem na camada superficial durante o resfriamento. A Figura 6.68 mostra a comparação entre a resistência à fadiga de peças idênticas produzidas por fresamento convencional e EDM. As propriedades das camadas superficiais finas não têm muito efeito na resistência à tração. Sua estrutura se transforma e, devido às faíscas, sua composição química se altera em certa medida. Geralmente reduzem a resistência à erosão.

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7. Características do EDM:

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