Usinagem por Descarga Elétrica (EDM): Mecânica, Princípios e Projeto de Circuitos

Neste artigo, discutiremos sobre usinagem por descarga elétrica (EDM): 1. Introdução à EDM 2. Mecânica da EDM 3. Circuitos e Princípios de Funcionamento da EDM (Com Diagrama) 4. Acabamento Superficial e Precisão de Usinagem 5. Papel do Eletrodo-Ferramenta e Fluidos Dielétricos na EDM 6. Efeitos da EDM em Superfícies Metálicas 7. Características.

Conteúdo:

1. Introdução à Usinagem por Descarga Elétrica (EDM)
2. Mecânica da EDM
3. Circuitos e Princípios de Funcionamento da EDM (Com Diagrama)
4. Acabamento Superficial e Precisão de Usinagem da EDM
5. Papel do Eletrodo-Ferramenta e Fluidos Dielétricos na EDM
6. Efeitos da EDM em Superfícies Metálicas
7. Características da EDM

1. Introdução à Usinagem por Descarga Elétrica (EDM)

O uso de uma fonte de energia termoelétrica no desenvolvimento de técnicas não tradicionais ajudou muito a alcançar uma usinagem econômica de materiais de usinabilidade extremamente baixa e trabalhos difíceis. O processo de remoção de material por erosão controlada através de uma série de faíscas elétricas, comumente conhecido como usinagem por descarga elétrica, foi iniciado na URSS por volta de 1943. Desde então, pesquisa e desenvolvimento trouxeram este processo ao seu nível atual.

Quando uma descarga ocorre entre dois pontos do ânodo e do cátodo, o calor intenso gerado perto da zona derrete e evapora os materiais na zona de faísca. Para melhorar a eficácia, a peça e a ferramenta são submersas em um fluido dielétrico (óleos hidrocarbonetos ou minerais). Observou-se que se ambos os eletrodos são feitos do mesmo material, o eletrodo conectado ao terminal positivo geralmente erosiona a uma taxa mais rápida. Por esta razão, a peça é normalmente feita o ânodo. Um espaço adequado, conhecido como gap de faísca, é mantido entre as superfícies da ferramenta e da peça.

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

Para manter o gap de faísca predeterminado, uma unidade de controle servo é geralmente usada. O gap é detectado através da tensão média através dele e esta 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 por solenoide também é possível, e com isso, a máquina se torna extremamente barata e simples de construir.

A frequência de faísca é normalmente na faixa de 200-500.000 Hz, o gap de faísca sendo da ordem de 0,025-0,05 mm. A tensão de pico através do gap é mantida na faixa de 30-250 volts. Uma TRM de até 300 mm³/min pode ser obtida com este processo, a potência específica sendo da ordem de 10 W/mm³/min. A eficiência e a precisão do desempenho foram encontradas para melhorar quando uma circulação forçada do fluido dielétrico é fornecida. O fluido dielétrico mais comumente usado é querosene. A ferramenta é geralmente feita de latão ou liga de cobre.

2. Mecânica da EDM:

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

Estes elétrons libertados aceleram em direção ao ânodo. Após 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 finalmente deslocar outros elétrons das moléculas do fluido dielétrico. Finalmente, uma coluna estreita de moléculas de fluido dielétrico ionizado é estabelecida em A conectando os dois eletrodos (causando uma avalanche de elétrons, já que a condutividade da coluna ionizada é muito grande, o que é normalmente visto como uma faísca).

Como resultado desta faísca, uma onda de choque de compressão é gerada e uma temperatura muito alta é desenvolvida nos eletrodos (10.000-12.000°C). Esta alta temperatura causa fusão e vaporização dos materiais dos eletrodos, e os metais fundidos são evacuados por uma explosão mecânica, resultando em pequenas crateras em ambos os eletrodos em A. Assim que isso acontece, o gap entre os eletrodos em A aumenta e a próxima localização do gap mais curto está em outro lugar (digamos, B).

Portanto, quando o ciclo é repetido, a próxima faísca ocorre em B. Desta forma, as faíscas percorrem toda a superfície do eletrodo e, finalmente, o processo resulta em um gap uniforme. Então, 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 que a do ânodo devido às seguintes razões:

(i) O momento com que o fluxo de elétrons atinge o ânodo é muito maior que o do fluxo de íons positivos impactando o cátodo, embora a massa de um elétron individual seja menor 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 é estacionária relativa à peça, o gap aumenta à medida que a remoção de material progride, necessitando uma tensão aumentada para iniciar as faíscas. Para evitar este problema, a ferramenta é alimentada com a ajuda de um servo drive que detecta a magnitude do gap médio e o mantém constante.

No que segue, tentaremos uma determinação teórica da taxa de remoção de material durante a usinagem por descarga elétrica. Ao fazer isso, embora resultados quantitativos não sejam obtidos, muitas características importantes se tornarão evidentes. Por enquanto, seria suficiente entender o efeito de apenas uma faísca.

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

Para fazer isso, faremos as seguintes suposições:

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

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

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

(iv) A taxa de entrada de calor permanece constante durante a duração da descarga.

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

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

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 (cm²/seg), t_d = duração da descarga (seg), e θ_m = temperatura de fusão (°C).

Devido à simetria circular, a temperatura em qualquer ponto depende de r e z. A equação para condução de calor é —

Como, intuitivamente, pode-se ver que a profundidade à qual a temperatura de fusão é atingida é máxima no centro, nosso interesse reside na solução em r = 0. A temperatura em um ponto no eixo no final da descarga (assumindo que a temperatura máxima é atingida em t = t_d pois a entrada de calor para neste instante) é dada por —

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

Uma característica importante que se torna evidente destes resultados é que a remoção de material é muito baixa para um tempo de descarga pequeno e aumenta com t_d. Então, atingindo um valor de pico, 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. A TRM durante uma única faísca plotada contra o tempo é mostrada na Fig. 6.55. Claramente, a TRM é máxima 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 EDM. Como o tamanho da cratera depende da energia da faísca (assumindo que todas as outras condições permaneçam inalteradas), a profundidade e o diâmetro da cratera são dados por —

Nesta relação, assumimos condições médias de faísca.

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

Após a descarga ser completada, o meio dielétrico ao redor da última faísca deve ser permitido desionizar. Para isso, a tensão através do gap deve ser mantida abaixo da tensão de descarga até que a desionização esteja completa; caso contrário, a corrente novamente começa a fluir através do gap no local da descarga anterior. O tempo necessário para uma desionização completa depende da energia liberada pela descarga anterior. Uma liberação de energia maior resulta em um tempo de desionização mais longo.

3. Circuitos da EDM e Princípios de Funcionamento (Com Diagrama):

Vários circuitos elétricos basicamente diferentes estão disponíveis para fornecer a CC pulsante através do gap peça-ferramenta. Embora as características operacionais sejam diferentes, em quase todos tais circuitos um capacitor é usado para armazenar a carga elétrica antes da descarga ocorrer através do gap. 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 relaxação resistência-capacitância com fonte CC constante.

(ii) Gerador de impulso rotativo.

(iii) Circuito de pulso controlado.

(i) Circuito de Relaxação Resistência-Capacitância:

O circuito de relaxação 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 é claro desta figura, o capacitor C (que pode ser variado) é carregado através de uma resistência variável R pela fonte CC de tensão V₀.

A tensão através do gap (que é quase a mesma que a do capacitor) V varia com o tempo de acordo com a relação onde t denota o tempo começando no instante em que V₀ é aplicado.

Então, V se aproximará de V₀ assintoticamente, como mostrado na Fig. 6.57b, se permitido. Se o gap ferramenta-peça e o fluido dielétrico são tais que uma faísca pode ocorrer quando a tensão através do gap atinge um valor V_d (comumente conhecido como tensão de descarga), uma faísca ocorrerá, descarregando o capacitor completamente sempre que a tensão através do gap ferramenta-peça (V) atingir V_d.

O tempo de descarga é muito menor (cerca de 10%) que o tempo de carga e a frequência de faísca (v) é aproximadamente dada pela seguinte equação (já que o tempo requerido para desionização também é muito pequeno sob circunstâncias normais) —

Assim, para entrega máxima de potência, a tensão de descarga deve ser 72% da tensão de alimentação V₀.

Se assumirmos que o material removido por faísca é proporcional à energia liberada por faísca, então a TRM pode ser expressa como —

(ii) Gerador de Impulso Rotativo:

O circuito de relaxação para geração de faísca, embora simples, tem certas desvantagens. Destas, uma desvantagem importante é que a TRM não é alta. Para aumentar a taxa de remoção, um gerador de impulso é usado para geração de faísca. A Figura 6.59 mostra o diagrama esquemático de tal sistema. O capacitor é carregado através do diodo durante o primeiro semi-ciclo. Durante o semi-ciclo seguinte, a soma das tensões geradas pelo gerador e do capacitor carregado é aplicada ao gap peça-ferramenta.

A frequência de operação é a frequência da geração de onda senoidal que depende da velocidade do motor. Embora a TRM seja maior, tal sistema não produz um bom acabamento superficial.

(iii) Circuitos de Pulso Controlado:

Nos dois sistemas discutidos, não há provisão para prevenção automática do fluxo de corrente quando um curto-circuito é desenvolvido. Para alcançar tal controle automático, um tubo a 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 tal sistema. Durante a faísca, a corrente que flui através do gap vem do capacitor.

Quando a corrente flui através do gap, o Tubo de Válvula (VT) é polarizado para corte e se comporta como uma resistência infinita. O controle de polarização é feito através de um Controle Eletrônico (EC). Assim que a corrente no gap cessa, a condutividade do tubo aumenta, permitindo o fluxo de corrente para carregar 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 o viés com a ajuda de um oscilador. Neste caso, o capacitor não é necessário. A Figura 6.61 mostra tal circuito, usando um transistor.

4. Acabamento Superficial e Precisão de Usinagem da EDM:

Como a remoção de material na EDM é alcançada através da formação de crateras devido às faíscas, é óbvio que tamanhos grandes de crateras (especialmente a profundidade) resultam em uma superfície rugosa. Então, o tamanho da cratera, que depende principalmente da energia/faísca, controla a qualidade da superfície. A Figura 6.62 mostra como H_rms (valor quadrático médio da irregularidade da superfície) depende de C e V₀.

A profundidade da cratera (h_c) pode ser expressa aproximadamente em termos da energia liberada por faísca (E) como —

A dependência do acabamento superficial na energia do pulso E e a comparação do acabamento superficial com o obtido por processos convencionais são indicados na Fig. 6.63. Muito esforço foi gasto na determinação de 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 não surgiu. No entanto, a TRM e a irregularidade da superfície, ao usinar aço sob condições normais, são aproximadamente relacionadas 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 mm³/min.

A circulação forçada do dielétrico foi encontrada para geralmente melhorar o acabamento superficial. As seções transversais da superfície do eletrodo de latão produzidas por EDM com e sem circulação forçada (tensão 40 V, corrente 0,2 A, frequência 1,12 kHz) são mostradas na Fig. 6.64. Fica claro que a circulação forçada leva a uma melhoria significativa no acabamento superficial.

5. Papel do Eletrodo-Ferramenta e Fluidos Dielétricos na EDM:

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

a. Desgaste do Eletrodo-Ferramenta:

Durante a operação EDM, o eletrodo (ou seja, a ferramenta), como já mencionado, também é erodido devido à ação de faísca. 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 grafite, que vai diretamente para a fase de vapor sem derreter. A razão de desgaste (r_Q), definida pela razão do material removido da peça para o material removido da ferramenta, é encontrada como relacionada a r_θ (=ponto de fusão da peça / 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) Razão de desgaste,

(iii) Facilidade de moldar o eletrodo,

(iv) Custo.

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

Os métodos usados para fazer os eletrodos são:

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

(ii) Fundição (usada para liga de fundição à base de Zn, ligas Zn-Sn e ligas Al),

(iii) Metalização por spray,

(iv) Formação por prensagem.

Furos de fluxo são normalmente fornecidos para circulação do dielétrico, e estes furos devem ser o maiores possível para cortes de desbaste para permitir grandes taxas de fluxo a 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 inflamável,

(v) Baixo custo.

A água comum possui quase todas estas propriedades, mas como causa ferrugem na peça e na máquina, não é usada. 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 ECM começa a distorcer a peça. Além disso, energia é desperdiçada. No entanto, em alguns casos, água desionizada é usada.

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

6. Efeitos da EDM em Superfícies Metálicas:

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

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

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

7. Características da EDM: