Usinagem Eletroquímica (ECM):Cinemática, Dinâmica, Trabalho e Projeto de Ferramentas

Neste artigo, discutiremos sobre a usinagem eletroquímica (ECM):- 1. Significado e funcionamento da usinagem eletroquímica (ECM) 2. Eletroquímica do processo de ECM 3. Cinemática e dinâmica 4. Efeitos do calor e da geração de bolhas de H2 5 . Efeito do ECM no acabamento de superfície 6. Projeto da ferramenta do ECM 7. Eletrólitos usados 8. Planta de usinagem eletroquímica 9. Efeitos do ECM nos materiais 10. Características do ECM.

Conteúdo:

Significado e funcionamento da usinagem eletroquímica (ECM)
Eletroquímica do processo ECM
Cinemática e Dinâmica de ECM
Efeitos da geração de calor e bolha H2 em ECM
Efeito do ECM no acabamento da superfície
Projeto de ferramenta de ECM
Eletrólitos usados em ECM
Planta de usinagem eletroquímica
Efeitos do ECM nos materiais
Características do ECM

1. Significado e funcionamento da usinagem eletroquímica (ECM) :

A usinagem eletroquímica é um dos processos de usinagem não convencionais com maior potencial. Embora seja um novo processo para a usinagem de metais, o princípio básico já era conhecido há muito tempo. Este processo pode ser considerado o reverso da galvanoplastia com algumas modificações. Além disso, é baseado no princípio da eletrólise.

Em um metal, a eletricidade é conduzida pelos elétrons livres, mas foi estabelecido que, em um eletrólito, a condução da eletricidade é obtida através do movimento dos íons. Assim, o fluxo de corrente através de um eletrólito é sempre acompanhado pelo movimento da matéria.

O princípio da eletrólise é usado há muito tempo para galvanoplastia, onde o objetivo é depositar metal na peça de trabalho. Mas, como na usinagem eletroquímica o objetivo é remover o metal, a peça de trabalho é conectada ao terminal positivo e a ferramenta ao terminal negativo. A Figura 6.25 mostra uma peça de trabalho e uma ferramenta de formato adequado, a lacuna entre a ferramenta e a peça sendo preenchida com um eletrólito adequado. Quando a corrente é passada, ocorre a dissolução do ânodo.

No entanto, a taxa de dissolução é maior onde a lacuna é menor e vice-versa, pois a densidade de corrente é inversamente proporcional à lacuna. Agora, se a ferramenta for movida para baixo, a superfície de trabalho tende a assumir a mesma forma que a da ferramenta e, em um estado estacionário, a lacuna é uniforme, como mostrado na Fig. 6.25. Assim, a forma da ferramenta é reproduzida no trabalho.

Em um processo de usinagem eletroquímica, a ferramenta é fornecida com um movimento de avanço constante. O eletrólito é bombeado em alta pressão através da ferramenta e pelo pequeno espaço entre a ferramenta e a peça de trabalho. O eletrólito é escolhido de forma que o ânodo seja dissolvido, mas não ocorra deposição no cátodo (a ferramenta). A ordem da corrente e da voltagem são alguns milhares de amperes e 8-20 volts. A folga é da ordem de 0,1-0,2 mm.

Em uma máquina típica, a taxa de remoção de metal é de cerca de 1600 mm ³ / min para cada 1000 amp. São necessários aproximadamente 3 kWh para remover 16 x 10 ³ mm ³ de metal, que é quase 30 vezes a energia necessária em um processo convencional (é claro, quando o metal é facilmente usinável). Mas com ECM, a taxa de remoção de metal é independente da dureza da peça de trabalho. Portanto, o ECM torna-se vantajoso quando o material de trabalho possui uma usinabilidade muito baixa ou a forma a ser usinada é complicada.

Ao contrário da maioria dos outros processos convencionais e não convencionais, aqui praticamente não há desgaste da ferramenta. Embora pareça que, como a usinagem é feita eletroquimicamente, a ferramenta não experimenta força, o fato é que a ferramenta e o trabalho estão sujeitos a forças muito grandes exercidas pelo fluido de alta pressão na lacuna.

2. Eletroquímica do Processo de ECM:

O processo de eletrólise é regido pelas seguintes duas leis propostas por Faraday:

(i) A quantidade de mudança química produzida por uma corrente elétrica, ou seja, a quantidade de qualquer material dissolvido ou depositado, é proporcional à quantidade de eletricidade passada.

(ii) As quantidades de diferentes substâncias dissolvidas ou depositadas pela mesma quantidade de eletricidade são proporcionais aos seus pesos equivalentes químicos. Na forma quantitativa, as duas leis de Faraday afirmam que -

Quando um corpo metálico é submerso em um eletrólito (Fig. 6.27), os átomos metálicos deixam o corpo e se tornam íons e os íons se movem para o corpo e se tornam átomos. O processo continua continuamente e o equilíbrio é mantido. Existe uma diferença de potencial entre um ponto na superfície do corpo metálico (eletrodo) e um ponto adjacente no eletrólito.

Essa diferença de potencial é conhecida como potencial do eletrodo. O potencial do eletrodo varia dependendo da combinação eletrodo-eletrólito. Se dois eletrodos diferentes (A e B) forem imersos, haverá uma diferença de potencial entre esses eletrodos, pois os potenciais de A e B em relação ao eletrólito comum são diferentes. Essa diferença de potencial é a força eletromotriz (fem) da célula, gerada pelos eletrodos e pelo eletrólito. Isso é explicado na Fig. 6.27. Por exemplo, se os eletrodos de Fe e Cu são mergulhados em salmoura (solução de sal de cozinha em água), como mostrado na Fig. 6.28a, os potenciais do eletrodo são -

A natureza do processo de eletrólise depende do eletrólito usado. Para entender como a ECM é realizada, consideremos a solução aquosa de cloreto de sódio como o eletrólito. Quando uma diferença de voltagem é aplicada entre os eletrodos (Fig 6.28b), as reações no ânodo e no cátodo são-

A água obtém dois elétrons do eletrodo e, como resultado, o gás hidrogênio é desenvolvido e íons hidroxila são produzidos. Os íons metálicos positivos tendem a se mover em direção ao cátodo e os íons hidroxila negativos são atraídos para o ânodo. Em seguida, os íons metálicos positivos combinam-se com os íons hidroxila carregados negativamente para formar hidróxido ferroso as-

Este hidróxido ferroso forma um precipitado insolúvel. Assim, com este tipo de combinação eletrodo metal-eletrólito, o ânodo se dissolve e H ₂ é gerado no cátodo, deixando a forma do cátodo inalterada. Esta é a característica mais importante da eletroquímica do processo de ECM. Deve-se observar que, para o ECM, a escolha dos eletrodos e do eletrólito deve ser tal que não possa ocorrer deposição em nenhum dos eletrodos.

O peso equivalente em grama do metal é dado por ԑ =A / Z, onde A é o peso atômico e Z é a valência dos íons produzidos. Usando isso na equação (6.20), obtemos a taxa de remoção de massa na forma -

Quando o ânodo é feito de uma liga em vez de um metal puro, a taxa de remoção pode ser determinada considerando a carga necessária para remover um volume unitário de cada elemento. Se os pesos atômicos e as valências (dos íons correspondentes entrando no eletrólito) são A ₁ , A ₂ , A ₃ ,… E Z _1, Z ₂ , Z ₃ ,…, Respectivamente, e a composição (em peso) da liga é x ₁ % do elemento 1, x ₂ % do elemento 2,…, então um volume v cm ³ da liga contém vρx _i / 100 gramas do i-ésimo elemento, onde ρ é a densidade geral da liga em g / cm ³ .

A carga necessária para remover todo o i-ésimo elemento no volume v é dada por -

3. Cinemática e Dinâmica do ECM:

A Figura 6.31 mostra um conjunto de eletrodos com superfícies planas e paralelas. O trabalho (o eletrodo superior) está sendo alimentado com uma velocidade constante ƒ na direção -y (normal para as superfícies do eletrodo).

O problema é considerado unidimensional e a distância instantânea da superfície de trabalho da superfície da ferramenta é considerada y. Considerando que a peça de trabalho é de metal puro, a taxa de remoção do metal da peça de trabalho é dada pela equação (6.23). Se a sobretensão for ΔV, a densidade do fluxo de corrente através do eletrólito é dada por -

Onde K é a condutividade do eletrólito. Agora, a remoção do material de trabalho faz com que a superfície da peça de trabalho recue (na direção y) em relação à superfície original com uma velocidade dada por Q ', onde Q' é a taxa de volume de remoção de metal da peça de trabalho por área unitária da superfície da peça de trabalho. Assim, a taxa na qual a lacuna entre o trabalho e as mudanças de superfície da ferramenta é -

Vamos agora investigar alguns casos básicos:

Zero Feed:

Alimentação constante:

Uma lacuna cada vez maior não é desejável em um processo de ECM. Assim, na prática, o eletrodo é fornecido com uma velocidade de alimentação constante de magnitude adequada. Assim, na equação (6.28), ƒ é constante. Obviamente, quando a taxa de alimentação ƒ é igual à velocidade de recuo da superfície do eletrodo devido à remoção do metal, a lacuna permanece constante. Esta lacuna (que depende da velocidade de alimentação) é chamada de lacuna de equilíbrio (y _e ) Assim, para a lacuna de equilíbrio, a equação (6.28) produz -

A Figura 6.32b mostra o gráfico de y̅ versus t̅ para diferentes valores da lacuna inicial. Vê-se que o gap sempre se aproxima do valor de equilíbrio independente da condição inicial.

Movimento de alimentação inclinado para a superfície:

Quando o vetor velocidade de alimentação está inclinado em relação à superfície (Fig. 6.33), o componente da alimentação normal à superfície é ƒ cos θ. Nesse caso, a lacuna de equilíbrio é dada por λ / (ƒ cos θ).

Superfície irregular de usinagem:

Quando uma superfície de trabalho irregular é submetida ao ECM, o metal é removido de todas as partes da superfície (ao contrário de outras operações de usinagem). A parte projetada para fora (as colinas) está mais próxima da superfície da ferramenta e é usinada mais rapidamente do que aquela projetada para dentro (as cavidades). Assim, o processo de ECM tem o efeito de suavizar os desníveis.

Conforme mostrado na Fig. 6.34, a posição de equilíbrio da superfície de trabalho (y̅ =1) pode ser considerada como a superfície de trabalho final desejada. Os desvios desta superfície desejada são os defeitos caracterizados pela profundidade ou altura adimensional (δ̅), dependendo se o defeito é um vale ou uma colina. Uma vez que δ =y - y _e ,

Teoricamente, levaria um tempo infinito para remover um defeito completamente; na prática, no entanto, assim que δ̅ ficar abaixo de um valor permitido pré-atribuído, o processo estará concluído. A Figura 6.35 mostra como as colinas e os vales são suavizados.

4. Efeitos do Calor e H ₂ Geração de bolhas no ECM:

Os diferentes parâmetros e propriedades foram considerados uniformes em toda a face dos eletrodos. Mas, na prática, isso não é verdade. Uma variação nessas propriedades afeta o processo de usinagem. Além disso, a condutividade do eletrólito muda conforme o eletrólito passa ao longo da lacuna devido a - (i) o aumento na temperatura do eletrólito, (ii) a evolução de bolhas de hidrogênio e (iii) a formação de precipitados, sendo o último efeito pequeno.

Por causa do fluxo de eletricidade, a temperatura do eletrólito aumenta gradualmente e a condutividade muda, resultando em não uniformidade na densidade da corrente ao longo da direção do fluxo do eletrólito. Além disso, bolhas são formadas porque o hidrogênio é gerado durante a usinagem. Essas bolhas são varridas pelo eletrólito, e a concentração de tais bolhas tende a aumentar ao longo da direção do fluxo do eletrólito. Como resultado, a condutividade geral e a densidade de corrente variam na mesma direção. O efeito resultante disso faz com que a lacuna de equilíbrio entre os eletrodos varie.

5. Efeito do ECM no acabamento da superfície:

Visto que, em geral, um acabamento superficial muito bom é desejado nas peças usinadas pelo ECM, é importante um estudo das possibilidades que podem resultar em um acabamento ruim.

O acabamento da superfície é afetado adversamente por:

(i) Dissolução Seletiva:

Nas ligas, os diferentes constituintes têm diferentes potenciais de eletrodo. Também em metais puros, os potenciais de dissolução nos contornos dos grãos são diferentes daqueles dentro dos grãos. Vamos considerar a superfície de trabalho (com dois constituintes A e B) mostrada na Fig. 6.38a. Nesta figura, o perfil de tensão através da lacuna também foi mostrado. Deixe o potencial de dissolução do constituinte B (V _dB ) ser maior do que o potencial de dissolução do constituinte A (V _dA )

Portanto, a diferença de potencial necessária entre um ponto na superfície e o eletrólito adjacente para que o ECM inicie deve ser V _dA ou V _dB , dependendo do constituinte local. Uma vez que toda a superfície do ânodo é equipotencial e o potencial do eletrólito varia ao longo da lacuna, como mostrado, a superfície de um grão de B deve se projetar para longe da superfície do constituinte A (para encontrar o eletrólito com um potencial mais baixo) de modo que uma diferença maior , V _dB é alcançado. Assim, no estado estacionário, a superfície de trabalho será irregular e não muito lisa.

Quando o gradiente potencial é maior, a irregularidade é menor. A Figura 6.38b mostra duas situações com gradientes de potencial diferentes, os outros parâmetros permanecem os mesmos. É óbvio a partir desta figura que a altura da projeção de um grão do constituinte B é menor quando o gradiente potencial é maior. Uma expressão aproximada da altura de projeção também pode ser derivada como segue. Da Fig. 6.38b,

(ii) Repartição esporádica do filme anódico:

O principal motivo da quebra esporádica do filme anódico é a queda gradual da diferença de potencial entre a superfície de trabalho e o eletrólito na região afastada da área de usinagem. A Figura 6.39 mostra a variação do potencial de superfície do ânodo nesta região. Aqui, até o ponto P _1, o potencial é suficiente para causar a dissolução de todas as fases. Em P ₁ , o potencial disponível cai abaixo do potencial de dissolução de uma fase e, portanto, o ânodo para de se dissolver.

Além de P _1, o potencial de superfície do ânodo continua a cair e um número crescente de fases para de se dissolver, resultando em uma superfície irregular. Em última análise, quando apenas algumas fases permanecem ativas e dissolvem, ocorre uma concentração do campo elétrico, uma vez que as fases ativas ocupam uma pequena proporção da superfície do ânodo. Essa concentração de campo faz com que essas fases se dissolvam muito rapidamente, formando poços profundos, como mostrado na Fig. 6.39. Além do ponto P ₂ , o potencial de superfície do ânodo cai para um valor tão baixo que nenhuma dissolução ocorre.

(iii) Separação de fluxo e formação de redemoinhos:

A presença de colinas e vales na superfície do ânodo pode causar uma separação do fluxo de eletrólitos e formação de redemoinhos. Nestes redemoinhos, separados do fluxo principal, uma grande concentração de íons metálicos pode se acumular, resultando em uma alta concentração sobre o potencial nos redemoinhos.

Isso introduz uma variação localizada nas taxas de remoção e, conseqüentemente, uma superfície acabada irregular. Além da presença de colinas e vales, a separação do fluxo pode ser causada por um design impróprio da ferramenta e do caminho do fluxo do eletrólito. Portanto, um grande cuidado deve ser tomado ao projetar o caminho do fluxo do eletrólito em uma ferramenta.

(iv) Evolução de H ₂ Gás:

O eletrólito que flui coleta o gás hidrogênio em evolução gerado no cátodo. A presença de H ₂ no eletrólito reduz a condutividade específica da solução. Este efeito aumenta conforme o H ₂ a concentração continua aumentando a jusante e o efeito geral é uma deterioração do acabamento da superfície.

Além dos quatro mecanismos anteriores, existem algumas outras fontes de deterioração da superfície. Mas, uma vez que sua importância é de menor magnitude, não os discutiremos.

6. Projeto da ferramenta de ECM:

Existem dois aspectos principais no design de ferramentas.

São eles:

(i) Determinar a forma da ferramenta de forma que a forma desejada do trabalho seja alcançada para as condições de usinagem dadas.

(ii) Projetar a ferramenta para outras considerações além de (i), por exemplo, fluxo de eletrólito, isolamento, resistência e arranjos de fixação.

Determinação teórica da forma da ferramenta:

Quando a forma desejada da superfície da peça usinada é conhecida, é possível determinar teoricamente a geometria necessária da superfície da ferramenta para um determinado conjunto de condições de usinagem.

Sejam o potencial aplicado, a sobretensão e a taxa de alimentação V, ΔV e ƒ, respectivamente. A lacuna de equilíbrio entre o ânodo e as superfícies do cátodo pode ser expressa como -

Projeto para fluxo de eletrólito :

Um fluxo de eletrólito suficiente entre a ferramenta e a peça de trabalho é necessário para afastar o calor e os produtos da usinagem e auxiliar o processo de usinagem na taxa de avanço necessária, produzindo um acabamento superficial satisfatório. Cavitação, estagnação e formação de vórtice devem ser evitadas, pois levam a um acabamento superficial ruim. Uma regra básica é que não deve haver curvas fechadas no caminho do fluxo. Todos os cantos no caminho do fluxo devem ter um raio de pelo menos 0,7-0,8 mm.

A forma inicial de um componente geralmente não está de acordo com a forma da ferramenta e apenas uma pequena fração da área está próxima à superfície da ferramenta no início. O problema de fornecer o eletrólito sobre essa área é geralmente resolvido pelas técnicas de restrição de fluxo.

Em muitas situações, quando a forma de trabalho inicial se ajusta à forma da ferramenta,

Uma ferramenta com uma ranhura de fornecimento de eletrólito é simples de fabricar, mas tal ranhura deixa pequenas saliências no trabalho. No entanto, as saliências podem ser feitas muito pequenas, tornando a ranhura suficientemente estreita. Claro, a largura da ranhura deve ser suficiente para fornecer um fluxo adequado. O fluxo de uma fenda ocorre em uma direção perpendicular à fenda e o fluxo no final é pobre. Portanto, a ranhura deve terminar próximo aos cantos da superfície da peça de trabalho, conforme mostrado na Fig. 6.43a.

A distância entre a ponta da ranhura e os cantos deve ser de pelo menos 1,5 mm, enquanto uma ranhura com largura 0,7-0,8 mm é recomendada. Quando o canto de uma peça de trabalho é arredondado, a extremidade da fenda deve ser aumentada, conforme mostrado na Fig. 6.43b. A forma e a localização da fenda devem ser tais que cada porção da superfície seja fornecida com fluxo de eletrólito e nenhuma área passiva exista. A Figura 6.44 mostra duas situações em que as áreas passivas existem, pois o design do slot está com defeito.

Na Fig. 6.44a, a área passiva não está recebendo o suprimento por causa da presença de espaço externo entre a fenda e esta área, enquanto na Fig. 6.44b, a área passiva é criada uma vez que há uma curva acentuada na fenda ( e o fato de que o fluxo é normal para o slot). Os designs corretos são mostrados na Fig. 6.45. Às vezes, uma ferramenta de fluxo reverso é usada para cortar com precisão e produzir superfícies superiores, mas esse processo é mais complexo e caro e geralmente não é recomendado.

As técnicas para controlar o fluxo de eletrólito quando a superfície de trabalho inicial não se ajusta ao formato da ferramenta são ilustradas na Fig. 6.46. As regras gerais para colocar um restritor de fluxo podem ser definidas como segue. O restritor de fluxo deve ser adjacente à área de proximidade inicial (entre a ferramenta e a superfície de trabalho) e não deve aumentar o caminho de fluxo de forma apreciável. Além disso, deve estar na posição de entrada ou saída do eletrólito.

Design para isolamento:

As áreas em uma ferramenta onde a usinagem eletroquímica não é desejável devem ser isoladas. Também no afundamento da matriz, a ferramenta deve ser devidamente isolada para minimizar a usinagem perdida. A Figura 6.47 mostra o processo de ECM sem e com um isolamento adequado. A Figura 6.48 ilustra o afundamento da matriz sem e com um isolamento adequado.

O isolamento deve ser resistente e bem ligado à superfície da ferramenta. Pode ser fornecido fixando o material plástico sólido reforçado ao pedágio com cimento de resina epóxi e parafusos plásticos. Às vezes, o isolamento também pode ser feito aplicando um revestimento de borracha sintética na superfície da ferramenta de cobre oxidado artificialmente. Para isso, é utilizada uma solução química oxidante quente. Os limites da camada de isolamento não devem ser expostos a um fluxo de eletrólito de alta velocidade, pois isso tende a rasgar a camada colada.

7. Eletrólitos usados no ECM:

Um eletrólito no ECM executa três funções básicas, a saber:

(i) Completar o circuito elétrico e permitir a passagem de grandes correntes,

(ii) Sustentando as reações eletroquímicas necessárias,

(iii) Remover o calor gerado e o produto residual.

A primeira função requer que o eletrólito, idealmente, tenha uma grande condutividade elétrica. A segunda função requer que o eletrólito seja tal que no ânodo o material da peça de trabalho seja continuamente dissolvido, e uma descarga do íon metálico no cátodo não deva ocorrer. Geralmente, o constituinte catiônico do eletrólito é hidrogênio, amônia ou metais alcalinos. A dissolução do ânodo deve ser sustentada com um alto nível de eficiência.

Além disso, o eletrólito deve ter uma boa estabilidade química. Além de tudo isso, o eletrólito deve ser barato, seguro e o menos corrosivo possível. Geralmente, é usada uma solução aquosa dos compostos inorgânicos. A Tabela 6.4 lista os eletrólitos usados para vários tipos de ligas.

8. Planta de usinagem eletroquímica:

Alguns pontos importantes devem ser mantidos em mente ao projetar uma máquina eletroquímica. Isso inclui a rigidez e o material dos componentes. Embora, à primeira vista, pareça que a força de usinagem é desprezível, pois não há contato físico entre a ferramenta e a superfície da peça de trabalho, forças muito grandes podem se desenvolver entre elas devido à alta pressão do eletrólito necessária para manter uma adequada velocidade do fluxo através da abertura estreita.

Portanto, a máquina deve possuir rigidez suficiente para evitar qualquer deflexão significativa da ferramenta que pode destruir a precisão das peças a serem usinadas. Uma mudança de temperatura também pode causar algum deslocamento relativo entre a ferramenta e a peça de trabalho, e o projeto deve cuidar disso.

Para evitar corrosão, sempre que possível, os materiais não metálicos devem ser usados. Quando força e rigidez são necessárias, os metais revestidos de plástico devem ser usados. O material usado para segurar a peça de trabalho é exposto ao ataque anódico e o Ti parece ser o mais adequado devido à sua passividade. Quando metais diferentes estão em contato na presença do eletrólito, especialmente quando a máquina está ociosa, pode ocorrer corrosão.

Para minimizar isso, os metais em contato devem ser escolhidos de forma que não difiram muito em seu comportamento eletroquímico. As corrediças não podem ser protegidas permanentemente e, portanto, estão fortemente revestidas de graxa. Às vezes, uma proteção contra corrosão pode ser fornecida pela aplicação de um pequeno potencial elétrico em uma direção que toda a estrutura se torna mais nobre eletroquimicamente. Isso é comumente conhecido como proteção catódica.

A bomba é o elemento mais importante da planta auxiliar. Geralmente, as bombas de deslocamento positivo (semelhantes às bombas de engrenagem) feitas de aço inoxidável são usadas. O tanque para o eletrólito, a tubulação e as válvulas são normalmente feitos de PVC.

9. Efeitos do ECM nos materiais:

Em contraste com os processos de usinagem convencionais, a remoção de material durante o ECM é suave e suave. Como resultado, a tensão compressiva residual máxima é muito baixa na superfície da peça de trabalho. Além disso, a profundidade da camada de superfície endurecida por trabalho é insignificante. Quando a profundidade da camada de superfície endurecida por trabalho é cerca de 0,5 mm e 1,5 mm para torneamento e fresamento, respectivamente, isso em ECM é apenas cerca de 0,001 mm. Da mesma forma, a ordem de magnitude da tensão residual em uma superfície usinada por um processo convencional é de cerca de 50 kg / mm ² , enquanto que com ECM é quase zero.

Isso resulta em uma resistência à fadiga 10-25% menor das peças produzidas pelo ECM. Isso ocorre porque as pontas das microfissuras ficam expostas na superfície produzida pelo ECM e também porque o processo deixa uma superfície livre de tensões. Para aumentar a resistência à fadiga, alguns processos mecânicos (por exemplo, polimento mecânico, jato de vidro e jato de vapor) podem ser usados.