Tema7

6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING

11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil April 11

th to 15

th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil

© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

AVALIAÇÃO DO EFEITO DA VARIAÇÃO DA PRESSÃO DO JATO DE ÁGUA NO PROCESSO HÍBRIDO DE USINAGEM AJEDM

Rogério Felício dos Santos, [email protected] Ernane Rodrigues da Silva, [email protected]

Vinícius Carvalho Teles, [email protected]

Alberto Arnaldo Raslan, [email protected]

1, 2Centro Federal de Educação Tecnológia de Minas Gerais – CEFET-MG – Av. Amazonas, 5253 – Nova Suiça – Belo Horizonte – MG – Cep. 30480-000. 3, 4Universidade Federal de Uberlândia – Faculdade de Engenharia Mecânica, Av. João Naves de Ávila, 2160 – Campus Santa Mônica – Bloco 1M – Uberlândia – MG – Cep. 38400-902. Resumo: No processo AJEDM (Usinagem por Descargas Elétricas com Jato de Água Abrasivo), foi observado que a melhoria no sistema de lavagem devido ao aumento da pressão do fluido dielétrico, ao passá-lo de estático para baixa e alta pressão, tem-se um aumento nos valores das Taxas de Remoção de Material (TRM). Com o jato de alta pressão, melhora-se a remoção das partículas erodidas, isso aumenta a TRM. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da variação da pressão do jato de água deionizada mais abrasivo (carbeto de silício com granulometria de 600 mesh), utilizado no AJEDM, na usinagem do aço ABNT M2 no regime de trabalho de desbaste moderado, com ferramenta de cobre eletrolítico. Foram avaliadas quatro pressões de trabalho diferentes (80, 130, 170 e 240 bar) usando uma hidrojateadora, com vazão constante e concentração do abrasivo variando de acordo com a pressão, adaptada à máquina de Usinagem por Descargas Elétricas (EDM). Os resultados da variação da pressão demonstraram que o aumento da pressão influencia diretamente na quantidade de abrasivo que é arrastada pelo fluxo da água deionizada e consequentemente promove uma maior TRM. Ocorre também um aumento no DVR (Desgaste Volumétrico Relativo) que é compensado pelo aumento da TRM. Verificou-se ainda a adesão de partículas de abrasivo que aderiram sobre a superfície usinada pelo processo AJEDM, superfície esta que não difere muito da usinada pelo processo EDM convencional, já que foi observado na mesma o aparecimento de poros, microtrincas e a adesão de partículas resolidificadas. Por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura foi possível verificar a incrustação de partículas abrasivas sobre as superfícies usinadas, em todas as condições.

Palavras-chave: Velocidade de Usinagem; EDM; AJEDM; fluido dielétrico; Desgaste Erosivo.

1. INTRODUÇÃO

A melhoria tecnológica dos processos de usinagem pode ser atingida pela combinação de diferentes propriedades físicas, em especial a ação mecânica, que é utilizada pelos processos convencionais na remoção de material, combinada com as interações não convencionais aplicadas em processos de fabricação, como a Usinagem por Descargas Elétricas (EDM), Usinagem Eletroquímica (ECM) e Usinagem com Raio Laser (MCM) (Kozak e Rajurkar, 2008).

O processo híbrido de usinagem denominado Usinagem por Descargas Elétricas e Jato de Água Abrasivo (AJEDM) consiste na aplicação simultânea dos processos de Usinagem por Descargas Elétricas (EDM) e da erosão por jato de água com pós abrasivos a alta pressão. O processo híbrido AJEDM, utiliza a interação térmica da Usinagem por Descargas Elétricas, cuja remoção de material ocorre por fusão e evaporação com a interação da assistência mecânica da ação do pó abrasivo do processo de Usinagem com Jato de Água Abrasivo (AWJM). Esta combinação promove uma melhor dispersão das descargas elétricas com o aumento da fenda de trabalho (gap) e, consequentemente, uma maior remoção de material, devido ao impacto das partículas abrasivas na superfície da peça (Fapemig e Ufu, 2009).

No processo de EDM a limpeza, ou seja, a passagem do dielétrico entre os eletrodos ferramenta e peça, é fundamental para o bom desempenho do trabalho (Engemaq, 2002). No início da usinagem o dielétrico encontra-se limpo, isento de partículas removidas das superfícies. Se ocorrer um acúmulo de partículas em certos pontos da fenda de trabalho, ocorre uma diminuição na resistência, que facilita a formação de descargas anormais que podem formar arcos, que dificultam a realização do processo. O sistema de limpeza é importante porque remove as partículas erodidas da fenda de trabalho, se elas não forem afastadas podem provocar o aparecimento de arcos devido à corrente elétrica que passa através destas partículas (Jameson, 2001).

Cada faísca promovida pelo processo de EDM, remove material derretido e evaporado, formando pequenas crateras nas superfícies. A topografia produzida pelo processo, assemelha-se a uma superfície completamente cheia de crateras

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de tamanhos diferentes, que dependem da energia da faísca (Fuller, 1989). Estas crateras geram um acabamento superficial de baixa qualidade.

Como a superfície da peça é aquecida pela descarga elétrica e resfriada rapidamente, com a ajuda do fluido dielétrico, uma camada refundida, forma-se nesta região provocando o aparecimento de poros, tensões térmicas e de microtrincas.

De acordo com Summers (1995), no processo de usinagem AWJM a remoção de material ocorre devido ao impacto de partículas abrasivas carregadas pelo fluxo do jato de água. A Taxa de Remoção de Material (TRM) promovida pela erosão estão diretamente relacionados à taxa de alimentação do abrasivo, quantidade do fluxo abrasivo e velocidade de impacto das partículas. A velocidade é modificada em relação à alta pressão de alimentação da água.

Segundo Arantes (2007), a melhoria no sistema de lavagem, passando o fluido de estático, para baixa e alta pressão, faz com que os valores de TRM cresçam. O jato de alta pressão propicia uma maior remoção das partículas erodidas, o que aumenta a velocidade de usinagem. O aumento da pressão torna mais efetiva a ação da lavagem das micro partículas fundidas e resolidificadas. A adição do pó abrasivo de SiC promove maiores valores de TRM, ou seja ocorre ação erosiva das partículas abrasivas.

O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da variação da pressão do jato de água no processo de usinagem híbrido AJEDM, usando com abrasivo carbeto de silício com granulometria de 600 mesh. Para tanto, foram analisadas: TRM, TD (Taxa de Desgaste), DVR (Desgaste Volumétrico Relativo) e a topografia da superfície.

2. METODOLOGIA

O trabalho foi realizado em uma máquina de EDM por penetração, modelo EDM 440NC, em conjunto com uma hidrojateadora de pressão nominal 250 bar, conforme ilustrado na Fig. (1). Como fluido dielétrico foi usada água deionizada e como abrasivo carbeto de silício (SiC) na granulometria de 600 mesh. As pressões de trabalho utilizadas foram: 80, 130, 170 e 240 bar, com vazão de trabalho fixada em 1000 litros por hora.

Figura 1. Desenho esquemático das adaptações implementadas na máquina EDM para aplicação do processo de usinagem híbrido AJEDM.

A pressão foi monitorada por meio de um manômetro instalado na saída da bomba hidrojateadora, conforme

ilustrado na Fig. (2). A regulagem da pressão foi realizada por meio da troca dos bicos variadores de pressão, que são montados no bico do sistema venturi, conforme ilustrado na Fig. (3).

Figura 2. Manômetro instalado na saída da bomba hidrojateadora para usinagem do processo híbrido AJEDM.


Figura 3. Desenho esquemático da montagem do bico venturi adaptado à máquina de EDM para usinagem do processo híbrido AJEDM com um dos bicos variadores de pressão em destaque.

Foram usinadas barras de aço ABNT M2 de seção transversal 12,7x12,7 mm e 101,6 mm de comprimento; eletrodo

ferramenta de cobre eletrolítico de seção transversal tubular com diâmetros de 19,05 mm (externo) e 6,35 mm (interno) com 30 mm de comprimento. A Figura (4) ilustra os eletrodos ferramenta e peça com cavidades usinadas em destaque.

Figura 4. Foto dos eletrodos ferramenta e peça com cavidades usinadas em destaque.

2.1. Determinação dos parâmetros de entrada do processo hibrido AJEDM O regime de trabalho adotado foi desbaste moderado e os parâmetros de usinagem estão ilustrados na Tab. (1).

Cada teste teve duração de 5 minutos sendo repetidos três vezes em cada condição de diferentes valores de pressão.

Tabela 1: Parâmetros de usinagem estabelecidos para o regime de trabalho de desbaste moderado.

Parâmetro Unidade Polaridade da ferramenta Positiva

Tensão 110 V Corrente 18 A

Ton 200 µs TS 6 DT 70 %

Tempo de erosão 6 s Afastamento periódico da ferramenta 0,4 mm

Intervalo entre tempo de erosão e afastamento periódico da ferramenta 0 s

Peça

Água deionizada + SiC 600

Eletrodo ferramenta

Cavidade


A polaridade indica a posição dos eletrodos, se anodo ou catodo, em relação às descargas elétricas, propiciando

uma maior retirada de material de uma das superfícies, geralmente, do eletrodo peça, já que o eletrodo ferramenta deve sofrer o menor desgaste possível. A polaridade pode ser invertida na máquina.

A tensão para ionização e formação do canal de plasma foi mantida constante, de acordo com os parâmetros estabelecidos pelo manual do fabricante da máquina. A corrente de descarga consumida no processo tem influência direta na qualidade da superfície e no rendimento da operação. Com isto, uma melhor qualidade implica em corrente baixa e pouca quantidade de material removido com um tempo maior de usinagem, no caso da máquina utilizada no experimento, esse valor da corrente depende do parâmetro TS, regulado na máquina, ela (a corrente) vale 3 vezes TS. Logo, para o regime de desbaste moderado TS = 6, a corrente será 18 A. O tempo total de duração do pulso, ton, no regime de trabalho igual a 200 microsegundos. DT está relacionado com o tempo de pausa, toff, no caso da máquina usada no experimento o mesmo é dado em porcentagem relacionada com o tempo ton. A Equação (1) determina seu valor.

[%] .)t(t

tDT

offon

on100

+= (1)

Onde: ton = tempo de pulso [µs] e toff = tempo de pausa [µs].

Foram ajustados também o gap e sensibilidade do gap de modo a promoverem o melhor desempenho do processo junto aos demais parâmetros aplicados durante as operações de usinagem.

2.2. Parâmetros avaliados após realização do processo híbrido AJEDM

Foram avaliados os seguintes aspectos: ■ TRM (Taxa de Remoção de Material) – que caracteriza o volume de material removido da peça em um

determinado tempo [mm3/min]. ■ TD (Taxa de Desgaste) – representa o volume de material perdido pela ferramenta durante sua operação em um

determinado tempo [mm3/min]. ■ DVR (Desgaste Volumétrico Relativo) – representa o desgaste volumétrico relativo entre os eletrodos ferramenta

e peça, dado pela razão entre TD e TRM, Eq. (2), normalmente em valores percentuais.

100.TRM

TDDVR = [%] (2)

■ Integridade superficial da peça – observada por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura, para identificar a morfologia da superfície.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os resultados de TRM, TD e DVR estão apresentados nos gráficos das Figs. (5), (7) e (8). O consumo de abrasivo (carbeto de silício) em relação à variação de pressão está representado no gráfico da fig. (6). A Figura (5) ilustra os resultados da TRM obtido da usinagem com água deionizada como fluido dielétrico com abrasivo SiC 600 nas pressões de 80, 130, 170 e 240 bar no processo hibrido AJEDM.

Taxa de Remoção de Material

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

80 130 170 240

Pressão [bar]

TRM [mm

3/m

in]

Figura 5. Resultados da TRM na usinagem com o processo híbrido AJEDM nas pressões de 80, 130, 170 e 240 bar com SiC 600 mesh, usando como fluido dielétrico água deionizada.


Consumo de abrasivo (SiC 600 mesh)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

80 130 170 240

Pressão [bar]

[gramas]

Figura 6. Consumo de abrasivo (SiC 600 mesh) em relação ao valor da pressão de trabalho no processo híbrido AJEDM, usando como fluido dielétrico água deionizada.

Os resultados de TRM estão compatíveis com as verificações de Summers (1995), a velocidade da água, que é

modificada em função da pressão, exerce influência sobre a TRM, já que está aumenta a taxa de alimentação de abrasivos e a quantidade do mesmo no fluxo. A Fig. (6) mostra o aumento do consumo de abrasivo em relação à variação da pressão. Como foi verificado por Arantes (2007), o jato de alta pressão (240 bar) propiciou uma maior remoção das partículas erodidas, o que aumentou a velocidade de usinagem. Este aumento da pressão tornou mais efetiva a ação da lavagem das micropartículas fundidas e resolidificadas.

A Figura (7) ilustra os resultados da TD obtidos da usinagem com água deionizada como fluido dielétrico com abrasivo SiC 600 nas pressões de 80, 130, 170 e 240 bar no processo hibrido AJEDM.

Taxa de Desgaste

0

1

2

3

4

5

80 130 170 240

Pressão [bar]

TD [mm

3/m

in]

Figura 7. Resultados da TD na usinagem com o processo híbrido AJEDM nas pressões de 80, 130, 170 e 240 bar com SiC 600 mesh, usando como fluido dielétrico água deionizada.

Os resultados de TD mostram que o aumento da pressão exerce influência sobre o desgaste do eletrodo ferramenta,

isto se deve ao fato da superfície da ferramenta ficar sujeita aos mesmos efeitos das descargas elétricas e desgaste erosivo promovido pelas partículas abrasivas que atuam na superfície da peça.


A Figura (8) ilustra os resultados do DVR obtido da usinagem com água deionizada como fluido dielétrico com

abrasivo SiC 600 nas pressões de 80, 130, 170 e 240 bar no processo hibrido AJEDM.

Desgaste Volumétrico Relativo

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

80 130 170 240

Pressões [bar]

[%]

Figura 8. Resultados do DVR na usinagem com o processo híbrido AJEDM nas pressões de 80, 130, 170 e 240 bar com SiC 600 mesh, usando como fluido dielétrico água deionizada.

Os resultados do DVR mostram que o aumento da pressão exerce influência sobre o desgaste relativo de modo a

aumentá-lo à medida que a pressão aumenta, porém este desgaste é compensado com o aumento da TRM que melhora a velocidade de usinagem.

A Figura (9) ilustra uma imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura obtida da superfície usinada com água deionizada como fluido dielétrico com abrasivo SiC 600 na pressão de 240 bar no processo hibrido AJEDM. A Figura (10) ilustra o espectro de EDX realizado em um fragmento de partícula abrasiva aderida na superfície, na região delimitada pelo quadrado formado por linhas pontilhadas. A seta indica a posição onde foi realizada a análise de EDX.

Figura 9. Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura da superfície usinada no processo híbrido AJEDM com pressão de 240 bar com SiC 600 mesh, usando como fluido dielétrico água deionizada.


Figura 10. Imagem do espectro de EDX de um fragmento de partícula aderida na superfície usinada com pressão de 240 bar com SiC 600 mesh no processo híbrido AJEDM, usando como fluido dielétrico água deionizada.

Os resultados mostram que a superfície usinada pelo processo AJEDM não difere muito da usinada pelo processo

de EDM convencional, ocorrem formação de poros, microtrincas e adesão de partículas refundidas. Porém o fato que difere uma superfície da outra é a ocorrência da aderência de fragmentos de partículas do abrasivo sobre a superfície usinada pelo processo AJEDM, como pode ser observado pelo espectro de EDX realizado em um fragmento de partícula de carbeto de silício que aderiu na superfície da cavidade usinada.

4. CONCLUSÕES

O aumento da pressão da água deionizada, usada com fluido dielétrico, promoveu um maior consumo do abrasivo

SiC de granulometria 600 mesh. A variação da pressão tem influência na taxa de remoção de material, já que a mesma tem seu valor aumentado com

o acréscimo da pressão. A taxa de desgaste do eletrodo ferramenta também é influenciada pelo aumento da pressão, já que a superfície da

ferramenta também sofre o ataque das partículas abrasivas que é evidenciado na pressão de 240 bar. O desgaste volumétrico relativo tem um aumento conforme aumenta-se os valores de pressão, sendo este

compensado pelo aumento da TRM. A superfície usinada pelo processo AJEDM não difere muito da usinada pela EDM por penetração convencional,

surgem poros, microtrincas e ocorre adesão de partículas refundidas, porém alguns fragmentos de partículas do abrasivo ficam aderidas na superfície obtida pelo processo AJEDM.

5. AGRADECIMENTOS

À FAPEMIG, pela liberação de recursos do projeto TEC APQ 01481/09 de vigência 11/11/2009 a 10/11/2011 para aquisição da máquina hidrojateadora e de materiais para as adaptações na máquina de EDM. À Capes pelo auxílio financeiro aos doutorandos Rogério Felício dos Santos e Ernane Rodrigues da Silva. Ao CNPQ pela bolsa de estágio de iniciação científica do estudante Vinicius Carvalho Teles.


6. REFERÊNCIAS Arantes, L. J. Desenvolvimento e avaliação do processo Híbrido de Usinagem por Descargas Elétricas e Jato de Água

Abrasivo (AJEDM). 2007. 125f. Tese (Doutorado). Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia. Engemaq. Manual de instalação, operação e manutenção da máquina EDM 440 NC. Caxias do Sul: Agie Charmilles

Ltda, 2002. 95p. Fapemig, Fundação de Amparado a Pesquisa de Minas Gerais (Belo Horizonte, MG); Ufu, Universidade Federal de

Uberlândia (Uberlândia, MG). Raslan, A. A.; Arantes, L. J. Método de Usinagem Híbrida Combinando Descargas Elétricas e Erosão Abrasiva. BR n. PI0703468-7, 06 set. 2007, 24 mar. 2009.

Fuller, J. E. Electrical Discharge Machining, Metals Handbook. 9.ed. 1989. v.16, p.557-564. Jameson, E. C. Electrical discharge machining. Dearborn: Society of Manufacturing Engineers, 2001. Cap. 1, p.1-21. Kozak, J.; Rajurkar, K. P. Hybrid Machining Process Evaluation and Development. Disponível em:

<http://www.mrl.columbia.edu/ntm/CrossProcess/hybrid_machining.htm>. Acesso em: 20 set. 2008. Summers, D. A. Waterjetting Technology. London: Chapman & Hall, 1995. 882 p. 7. DIREITOS AUTORAIS

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

EVALUATION OF THE EFFECT OF CHANGE IN PRESSURE IN THE HYBRID PROCESS AJEDM

Abstract: In hybrid process AJEDM (Electrical Discharge Machining with Abrasive Water Jet), it was observed that the improvement in the washing system due to increased pressure of the dielectric fluid, to pass it from static to high and low pressure, has an increase in the values of Material Removal Rate (MRR). With the jet of high pressure, improves the removal of eroded particles, this increases the MRR. The goal of this study was to evaluate the effect of varying pressure jet of deionized water more abrasive (silicon carbide with a particle size of 600 mesh) used in AJEDM, in machining of tool steel AISI M2 in a thinning moderate, with copper electrode. Was evaluated four working pressures (80, 130, 170 and 240 bar) using a water jets, with constant flow and varying the concentration of abrasive in accordance with the pressure, adapted to the machine Electrical Discharge Machining (EDM). The results of the pressure variation showed that the increased pressure influence the amount of abrasive that is dragged by the flow of deionized water and consequently promotes greater MRR. There is also a rise in VRW (Volumetric relative wear) which is offset by an increase in MRR. Also examined the adhesion of abrasive particles that adhered to the machined surfaces by the hybrid process AJEDM, is not defers much of the conventional process EDM, as was observed in the same appearance of pores, microcracks and adhesion of particles. Through Scanning Electron Microscopy was possible to verify the encrustation of abrasive particles on the machined surfaces in all conditions.

Keywords: Machining speed, EDM; AJEDM; dielectric fluid; erosive wear.

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