Maquinação Ultrassónica (USM): Componentes, Princípios, Prós e Contras e Aplicações

Maquinação Ultrassónica (USM) também chamada maquinação por vibração ultrassónica é um processo de maquinação no qual material é removido da superfície de uma peça por vibração de baixa amplitude e alta frequência de uma ferramenta contra superfície do material na presença de partículas abrasivas.

• O movimento da ferramenta ocorre vertical ou ortogonal à superfície da peça. A ferramenta desloca-se com amplitude de 0,05 mm a 0,125 mm (0,002 a 0,005 pol).
• A suspensão é formada misturando grãos abrasivos finos na água. Esta suspensão é feita fluir através da peça e ponta da ferramenta durante o processo. Os grãos abrasivos na suspensão ajudam na remoção do material da superfície. Os tamanhos de grão do material abrasivo tipicamente variam de 100 a 1000. Grãos menores (número maior) resultam em acabamentos mais suaves.
• Este processo é geralmente usado para maquinar materiais quebradiços e com alta dureza.

Princípio de Funcionamento da Maquinação Ultrassónica

Corrente elétrica de alta frequência (na gama ultrassónica, ou seja, 18 kHz a 40 kHz) é usada para gerar vibração mecânica de baixa amplitude e alta frequência. A vibração mecânica gerada é usada para maquinação da superfície de uma peça na presença de partículas de grão abrasivo na forma de suspensão. A suspensão flui através da ferramenta e peça. Quando a ferramenta pressiona contra a peça, a suspensão contendo partículas abrasivas lasca o material da superfície.

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Partes Principais

A máquina de maquinação ultrassónica consiste em duas partes principais: transdutor e sonotrodo (também chamado corneta), ligados a uma unidade de controlo eletrónico com cabos.

A função das várias partes é descrita abaixo

1. Transdutor:

O transdutor consiste principalmente num cilindro feito de cerâmica piezoelétrica. Converte energia elétrica em vibração mecânica. O transdutor então vibra o sonotrodo a baixa amplitude e alta frequência.

2. Sonotrodo:

É feito de aço de baixo carbono. Uma extremidade está ligada ao transdutor e a outra contém a ferramenta. O sonotrodo vibra a baixa amplitude e alta frequência e remove material da peça por abrasão onde contacta.

3. Unidade de Controlo:

A unidade de controlo consiste num oscilador eletrónico que produz corrente alternada de alta frequência. A frequência produzida está geralmente entre 18 kHz a 40 kHz na gama ultrassónica.

Tipos de USM

1. Maquinação por Vibração Ultrassónica Rotativa (RUM):

Na RUM, uma ferramenta a rodar verticalmente é permitida a revolver sobre o eixo do sonotrodo. A superfície da ferramenta é impregnada com diamantes que é usada para desgastar a superfície da peça. Suspensão abrasiva não é usada neste tipo de máquina para remoção de material.

2. USM com Assistência Química:

Nesta maquinação, um fluido abrasivo quimicamente reativo é usado para o processo de maquinação.

Funcionamento do Processo de Maquinação Ultrassónica

• O transdutor e sonotrodo estão ligados à unidade de controlo com cabo.
• A unidade de controlo tem oscilador eletrónico que produz corrente alternada com frequência ultrassónica entre 18 kHz a 40 kHz.
• Esta corrente alternada de alta frequência é fornecida ao transdutor. O transdutor converte esta corrente em vibração mecânica e transmite esta vibração ao sonotrodo ligado a ele.
• O sonotrodo é vibrado pelo transdutor com baixa amplitude e alta frequência. Quando este sonotrodo vibratório atinge a superfície da peça, remove material dela. A suspensão flui entre a ferramenta e peça e ajuda na remoção do material da superfície.
• A suspensão usada na maquinação ultrassónica contém 20% a 60% de água em volume, partículas de óxido de alumínio, carbeto de boro e carbeto de silício.
• É assim que a maquinação ultrassónica funciona.

Vantagens

• Este método de maquinação é capaz de maquinar materiais quebradiços e duros com alta precisão.
• Pode maquinar materiais frágeis como vidro e metais não condutores que não são maquinados por métodos não tradicionais como maquinação eletroquímica ou por descarga elétrica.
• É capaz de produzir peças de alta tolerância.
• Não há distorção produzida no material trabalhado. E isto porque, não há calor gerado pelo sonotrodo contra a peça.
• Não há mudança observada nas propriedades físicas do material.
• As peças maquinadas requerem menos processos de acabamento devido à ausência de rebarbas no processo.

Desvantagens

• A remoção de metal é lenta devido a mecanismo de lascamento microscópico ou erosão.
• O desgaste da ponta do sonotrodo ocorre mais rapidamente.
• A maquinação de furos profundos não é fácil por este método devido à incapacidade da suspensão abrasiva fluir no fundo do furo (Exceto maquinação ultrassónica rotativa).
• Maquinação por vibração ultrassónica só pode ser usada para maquinar materiais que tenham valor de dureza pelo menos 45 HRC (HRC: Escala Rockwell para medir dureza de material).

Aplicação

• É comumente usado para maquinar materiais quebradiços e duros. Vidro, carbonetos, cerâmicas, pedras preciosas e aços endurecidos são os materiais mais comuns maquinados por USM.
• É método de maquinação muito preciso e usado na criação de componentes de sistemas micro-eletroquímicos como wafers de vidro micro-estruturados.

Referência: wikipedia.org