Usinagem Ultrassônica Explicada: Princípios, Benefícios e Aplicações

Neste artigo, você aprende o que é usinagem ultrassônica? Como funciona? Partes, aplicações, vantagens e desvantagens. Baixe o PDF gratuito ao final.

Processo de Usinagem Ultrassônica (USM)

O que é Ultrassônico?

Termo ultrassônico descreve onda vibratória de frequência acima do limite superior da audição humana (> 16 kHz).

Dispositivo que converte qualquer energia em ondas ultrassônicas = transdutor ultrassônico.

Energia elétrica convertida em vibrações mecânicas. Para isso, usa-se efeito piezoelétrico ou magnetostrição exibido por cristais naturais/sintéticos ou alguns metais.

Magnetostrição = mudança de amplitude em materiais ferromagnéticos sujeitos a campo magnético alternado.

Na usinagem ultrassônica, ferramenta vibrando longitudinalmente a 20–30 kHz com amplitude 0,01–0,06 mm é pressionada contra superfície da peça com força leve.

Conforme ferramenta vibra em frequência específica, slurry abrasivo (mistura de grãos abrasivos e água, proporção fixa 20–30%) flui sob pressão pela interface ferramenta-peça.

A força de impacto da vibração da ponta da ferramenta e fluxo de slurry pela interface peça-ferramenta faz milhares de grãos microscópicos removerem material por abrasão. Ferramenta tem mesma forma da cavidade a ser usinada.

Método empregado para usinar materiais duros e quebradiços, condutores ou não condutores eletricamente. Análise do mecanismo de remoção indica que às vezes chamado Retífica Ultrassônica (USG).

Princípio de Funcionamento da Usinagem Ultrassônica

Figura mostra operação USM. Oscilador eletrônico e amplificador (gerador) convertem energia elétrica de baixa frequência em potência de alta frequência (~20 kHz) fornecida ao transdutor.

Transdutor opera por magnetostrição. Potência de alta frequência ativa pilha de material magnetostritivo, produzindo movimento vibratório longitudinal da ferramenta. Amplitude inadequada para corte; transmitida à ferramenta penetrante por dispositivo de foco mecânico (transformador de velocidade) que fornece vibração intensa da amplitude desejada na ponta da ferramenta.

Dispositivo de foco mecânico = haste cônica (horn). Extremidade superior fixada/brasada à face inferior do material magnetostritivo. Extremidade inferior com meio de fixação da ferramenta.

Todas essas partes, incluindo ferramenta de aço baixo carbono ou inoxidável na forma da cavidade desejada, atuam como corpo elástico único transmitindo vibrações à ponta da ferramenta.

Leia: Tipos de Processos de Usinagem Não Convencionais

Abrasivos Comumente Usados

Óxido de alumínio (alumina), carboneto de boro, carboneto de silício, pó de diamante. Boro = mais caro; melhor para cortar carboneto de tungstênio, aço ferramenta, gemas. Silício = mais aplicado. Para vidro e cerâmica, alumina é melhor.

Slurry abrasivo levado à interface por bombeamento. Sistema de resfriamento refrigerado resfria slurry a 5–6°C. Bom método: manter slurry em banho na zona de corte.

Tamanho do abrasivo: 200–2000 mesh. Graus grossos para desbaste; finos (ex: 1000 mesh) para acabamento. Abrasivos frescos cortam melhor; slurry deve ser trocado periodicamente.

Precisão da USM

Velocidade máxima de penetração em materiais macios/quebradiços (cerâmicas macias) ~20 mm/min; materiais duros/tenazes = taxa menor. Precisão dimensional até ±0,005 mm; acabamento superficial Ra 0,1–0,125 µm. Raio de canto mínimo 0,10 mm. Tamanho de máquinas USM: portáteis leves (~20 W) a pesadas (~2 kW).

Limitações do Processo

Principal limitação: taxa de remoção de metal relativamente baixa. Taxa máxima ~3 mm³/s; consumo de energia alto. Profundidade de furos cilíndricos limitada a 2,5x diâmetro da ferramenta.

Desgaste da ferramenta aumenta ângulo do furo; cantos agudos arredondam. Implica substituição de ferramenta essencial para furos cegos precisos. Processo limitado, na forma atual, a superfícies de tamanho comparativamente pequeno.

Desenvolvimento Recente

Recente desenvolvimento: ferramenta impregnada com pó de diamante usada sem slurry. Ferramenta oscila em frequências ultrassônicas e gira. Se não for possível girar ferramenta, peça pode girar.

Inovação removeu desvantagens do processo convencional em furos profundos. Dimensões do furo mantidas dentro de ±0,125 mm. Furos até 75 mm de profundidade em cerâmicas sem queda na taxa de usinagem (experimentada no processo convencional).

Aplicação da Usinagem Ultrassônica

Simplicidade do processo torna-o econômico para ampla gama de aplicações:

• Criação de furos redondos e de qualquer forma para a qual ferramenta possa ser feita. Formas obtidas aumentadas movendo peça durante corte.
• Operações de usinagem: furação, retífica, fresamento em todos materiais condutores e não condutores.
• Usinagem de vidro, cerâmica, tungstênio, carbonetos duros, gemas (rubi sintético).
• Corte de roscas em componentes de metais/ligas duras por rotação e translação da peça ou ferramenta.
• Fabricação de filas de trefilação de carboneto de tungstênio e diamante, matrizes para forjamento e extrusão.
• Permite dentista furar dente de qualquer forma sem dor.

Vantagens e Desvantagens da Usinagem Ultrassônica

Vantagens

• Materiais extremamente duros e quebradiços usinados facilmente.
• Perfis altamente precisos e bom acabamento superficial obtidos facilmente.
• Peça usinada livre de tensões.
• Taxa de remoção de metal baixa. (Nota: isso é listado como vantagem no original, mas geralmente é desvantagem; mantido conforme fonte)
• Sem geração de calor → propriedades físicas do material inalteradas.
• Operação silenciosa.
• Operação do equipamento bastante segura.

Desvantagens

• Taxa de remoção de metal baixa.
• Custo inicial do equipamento maior que máquinas-ferramenta convencionais.
• Processo não adequado para remoção pesada de metal.
• Custo de ferramentas também alto.
• Dificuldades em usinar materiais mais macios.
• Consumo de energia bastante alto.
• Tamanho da cavidade usinável limitado.

---

Conclusão

Usinagem ultrassônica tem muitas vantagens na indústria de manufatura. Espero ter coberto tudo sobre USM. Dúvidas? Comente.

Se achou útil, compartilhe com amigos.

Assine nossa newsletter [É GRÁTIS]