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2 - USINAGEM POR DESCARGAS ELÉTRICAS - EDM

A usinagem por descargas elétricas, ou eletroerosão, ou ainda, EDM3 como é mais conhecido, é dentre todos os processos não tradicionais de usinagem, aquele que primeiro se popularizou. A EDM é um processo que permite a usinagem de furos, ranhuras e superfícies, nas formas mais complexas, em materiais condutores elétricos, especialmente aqueles que apresentam alta dureza, que seriam impossíveis de serem fabricados pelos processos tradicionais de usinagem. Na Figura 2.1 são ilustradas várias operações possíveis com o processo, apenas com a utilização de diferentes movimentos do porta-ferramenta e da mesa. Na referida figura pode-se observar também a possibilidade de serem utilizados vários tipos de ferramentas, e vários tipos de movimento da ferramenta, tanto no eixo horizontal como no eixo vertical.

Figura 2.1 - Operações realizadas por EDM.

3 EDM � Electrical Discharge Machining, em alusão à sigla inglesa internacionalmente consagrada.

1 � Ferramenta (Eletrodo)

2 � Peça

3 � Avanço da

ferramenta ou mesa

1 1 1

1 1

1

2

22

2

333

3

33

22

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As maiores aplicações do processo estão na fabricação de matrizes para estampagem, forjamento, extrusão, fieiras para trefilação, moldes de injeção de plástico, e mesmo na afiação de ferramentas ultra duras (CBN e PCD) para atender aos processos tradicionais de usinagem ou para o setor de ferramentaria em geral.

A EDM viabiliza a usinagem de peças com prévio tratamento térmico, com o que evita os desvios de forma ou empenamentos que estes tratamentos normalmente produzem. Apesar do processo de remoção de material ser de natureza térmica, a EDM é um processo relativamente “frio”, a nível macroscópico, pois a geração de calor fica restrita às regiões micrométricas muito localizadas. Outro benefício adicional é que, por não haver contato entre a ferramenta (eletrodo) e a peça, não há geração de forças de corte. Este é um recurso valioso para usinagem de peças extremamente frágeis sem nenhum risco de fratura. A Figura 2.2 mostra esquematicamente as partes constitutivas do equipamento EDM por penetração.

Figura 2.2 - Esquema dos elementos constitutivos de um equipamento EDM.

Pelo referido esquema, vê-se que a ferramenta é colocada próxima à peça a ser usinada, sendo separada desta por uma distância muito pequena denominada de gap que é preenchido por um fluido dito dielétrico, bombeado e filtrado de um reservatório à região de usinagem. As descargas elétricas que ocorrem entre a ferramenta e a peça e que são as responsáveis pela usinagem, conforme será visto no item seguinte, surge da elevada voltagem da fonte de energia elétrica acoplada ao equipamento. Normalmente a peça é ligada ao polo positivo e a ferramenta ao polo negativo da referida fonte. O avanço da ferramenta em direção à peça é controlado por um servo-mecanismo que atua no sentido de manter o gap constante com o que, torna possível a execução de furos e outras formas geométricas desejadas.

MANÔMETRO

DIELÉTRICO

VOLTÍMETRO

FERRAMENTA

FILTRO BOMBA ALTA PRESSÃO

ROTÂMETRO

RESERVATÓRIO

AMPERÍMETRO

CONTROLE DE FREQUÊNCIA

FONTE DE CORRENTE CONTÍNUA

RESERVATÓRIO DE DECANTAÇÃO

BOMBA

PEÇA CUBA

SERVO MECANISMO DE AVANÇO DA FERRAMENTA

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2.1 Princípios do processo

O principio fundamental é a remoção do material pelo efeito térmico das descargas provocadas pela abertura de arco de plasma ou seja, pela ionização do dielétrico.

O calor de cada descarga funde e mesmo vaporiza partes micrométricas dos materiais mais próximos à região do gap, ou seja, da peça e da própria ferramenta. Com isso, tem-se que, como na maioria dos processos de usinagem, neste também a ferramenta se desgasta.

No entanto, como geralmente a peça está ligada ao polo positivo, anodo, ela recebe os impactos dos elétrons, ao passo que a ferramenta, ligada ao polo negativo, catodo, recebe os impactos dos íons positivos, mais pesados que os elétrons. Porém, os íons positivos tem muito menos energia cinética que os elétrons por serem muito menos velozes com o que transferem uma energia de impacto muito menor à ferramenta. Desta forma, muito menos calor é gerado na ferramenta e consequentemente menor a remoção de material da mesma. Uma visualização do referido acima é apresentado na Figura 2.3. Na referida figura estão esquematizados os detalhes da seqüência dos vários momentos dentro de um pulso elétrico, cuja duração está na faixa de alguns microsegundos a alguns milisegundos. Nesta fração de tempo, ocorre a abertura do arco elétrico, a formação do canal de plasma, o fechamento do arco e a implosão de partículas retiradas principalmente da peça. Aliás, o fechamento do arco é o responsável na geração da referida implosão tão importante no processo EDM na retirada de partículas do par ferramenta-peça.

Figura 2.3 - Princípio de funcionamento do processo EDM.

No processo, a faísca prefere a menor distância entre a ferramenta e a peça. Por isso é necessário o controle da voltagem no gap através da fonte, a qual gera sinal para o servo-mecanismo avançar de maneira automática a ferramenta em direção a peça, gerando com isso, a forma negativa da ferramenta na peça usinada. Para que seja possível o controle desta energia elétrica sob forma de arco voltaico, é preciso que as descargas sejam pulsadas, pois se o arco fosse continuo, o arrefecimento, e consequentemente a fusão e vaporização da peça, seria desordenado. Neste contexto, o dielétrico tem um papel fundamental no processo, por controlar a potência de abertura da descarga. O dielétrico, que pode ser o querosene, a água desionizada ou modernos fluidos hidrocarbonetos aditivados derivados de petróleo (os chamados óleos dielétricos para eletroerosão), exercem duas outras importantes funções no processo: promovem a lavagem da interface ferramenta-peça (gap), arrastando para fora as partículas erodidas e auxiliam no arrefecimento do sistema, nas vizinhanças das descargas.

Detalhes

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2.2 Principais parâmetros do processo

Além da TRM e do acabamento superficial (AS), que normalmente são os principais parâmetros de avaliação de qualquer processo de usinagem, outro parâmetro torna-se importante em EDM: a Relação de Desgaste (RD) definida como a relação entre o volume de material removido da peça e o volume de material removido da ferramenta.

Um processo EDM, via de regra, é tão melhor quanto maiores forem a TRM e a RD e quanto menores forem os valores da rugosidade. Entretanto, estes parâmetros de avaliação são influenciados por alguns parâmetros do processo, entre os quais o material da peça, o material da ferramenta, o regime de operação e o ferramental empregado.

Um resumo das influências de tais parâmetros é feito a seguir, considerando-se que normalmente altos valores da TRM implicam em altos valores do AS e vice-versa.

Material da peça

Quanto maior for o ponto de fusão e vaporização do material da peça, menor é a TRM, a RD e melhor o AS. Materiais como alumínio, chumbo, magnésio e suas ligas são fáceis de serem usinados pelo processo EDM, por causa dos seus baixos ponto de fusão e vaporização. O contrário ocorre para materiais como o tungstênio, titânio, ósmio e suas ligas que tem elevados pontos de fusão e vaporização. Outra propriedade do material bastante influente é a condutibilidade elétrica. Quanto melhor condutor elétrico for o material, maior a TRM.

Material da ferramenta

Há uma extensa lista de materiais empregados para ferramentas de EDM, porém os mais usados são o cobre e o grafite. As principais características de cada um desses materiais são:

Cobre: Excelente condutor e grande facilidade de fabricação de ferramentas de pequenas dimensões.

Grafite: Alto ponto de fusão e dificuldade para fabricação de ferramentas de pequenas dimensões por ser relativamente frágil.

Dadas as características acima, a escolha de um ou de outro, em cada caso, depende de uma série de fatores, mas a influência maior do material da ferramenta é exercida sobre a RD. Normalmente os melhores valores são obtidos com o Grafite, pelo seu ponto de fusão mais alto. No entanto, como o grafite é um material que se contamina com muita facilidade e pode ser adquirido com diferentes porosidades, nem sempre se pode garantir seu bom desempenho em relação à RD. Nesses casos, prefere-se usar o cobre pela sua melhor condutibilidade elétrica.

Regime de operação

O que caracteriza o regime de corte é a potência elétrica P= VI (voltagem x corrente) e a duração do pulso elétrico, como ilustra a Figura 2.4. No caso, ilustram-se três situações com dois níveis de potência (P1 e P2) e dois níveis de duração do pulso (Ft1 e Ft2). Para P1 e Ft1 tem-se pequena TRM. Para P1 e Ft2 tem-se maior TRM que na situação anterior. Se a energia do pulso (dada pela integral E=ÐPdt) for a mesma (o que ocorreria, por exemplo, se E2=P1.Ft2 fosse igual a E3=P2. Ft1), a TRM também se mantém.

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No entanto, a rugosidade é diferente para cada situação, mesmo que a energia seja constante. Será sempre menor para o caso em que o pulso for menor (no caso, para Ft1). Em resumo, tem-se maiores TRM para maiores potências e durações de pulso. Melhores acabamentos são obtidos com menores potências e menores durações de pulso. Sobre a RD pode-se dizer que também aumenta no mesmo sentido da TRM, na maioria dos casos experimentados.

Figura 2.4 � Representação de níveis de potência e duração de pulso no processo EDM.

Ferramental empregado

Entende-se por ferramental ao conjunto que engloba a geometria da ferramenta propriamente dita, o sistema de fixação da peça e o sistema de lavagem.

Por exemplo, se uma ferramenta tubular for usada para execução de furos passantes, não se faz necessário erodir toda a seção transversal do material correspondente ao diâmetro do ferramenta, mas somente a área delimitada pela espessura da ferramenta tubular. Desta forma, a operação de usinagem se torna mais rápida pois o volume de material efetivamente removido será menor ao fim da operação. Diferentes formas da ferramenta levam a diferentes valores de TRM, conforme será visto na aula prática onde serão usadas ferramentas com diferentes geometrias na usinagem de alumínio, aço ABNT 1020 e aço VC 130.

Atualmente, com o advento das máquinas CNC, as ferramentas se restringem a uma fina haste com extremidade esférica, conforme Figura 2.5. Com métodos computacionais, são possíveis obter trajetórias definidas, o que viabiliza obter superfícies complexas. Isto favorece o processo, pela dificuldade de fabricar ferramentas com geometrias não convencionais, que com o decorrer da usinagem requerem novas correções de forma.

Figura 2.5 - Ferramental usado pelas máquinas EDM CNC.

P = VI [W]

〉 t1 〉 t2 〉 t1 T [s]

P 1

P 2

E1 E2

E3

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O sistema de lavagem tem várias funções. Uma destas funções é a de arrastar todo material erodido da interface ferramenta-peça, garantindo um avanço contínuo da ferramenta. Outra função é a renovação constante do fluido dielétrico na interface, mantendo as características físicas e químicas do mesmo. Esta renovação garante também o resfriamento mais pronunciado do dielétrico. Conforme é apresentado na Figura 2.6, o sistema de lavagem pode ser interno através da ferramenta ou peça, ou externo por jateamento por meio de mangueiras flexíveis direcionadoras. A lavagem interna pode ser feita por sucção ou injeção conforme ilustrado na Figura 2.6. As vantagens de um ou outro sistema depende de cada caso e deve ser levado em conta não só a geometria da peça mas também a precisão requerida.

Figura 2.6 � Sistemas de lavagem no processo EDM.

O sistema de fixação da peça também influi na TRM pois se relaciona com o sistema de lavagem permitindo a passagem do dielétrico em diferentes regiões. Todo o conjunto que compõem o ferramental relaciona-se mutuamente, portanto a escolha de um ferramental adequado ao tipo de trabalho a ser executado, deve levar em consideração todos os fatores envolvidos, para que o processo tenha o melhor desempenho.

2.3 Outras características importantes do processo

Consideram-se neste item outras características do processo como por exemplo, as que ocorrem em operações de furação, que são o sobrecorte lateral e a conicidade da peça gerados devido ao espalhamento das descargas pelo efeito de borda, como é mostrado na Figura 2.7. Entretanto estas características nem sempre são indesejáveis. As matrizes geralmente necessitam de um ângulo para extração das peças produzidas. O projeto da ferramenta deve levar em conta este fato para gerar a dimensão final da peça. Na prática, porém, o que geralmente ocorre é a utilização de uma ferramenta para operação de desbaste e outra para acabamento.

Sucção - Eletrodo Injeção - Eletrodo

Injeção - Peça Sucção - Peça

Jateamento

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Alguns valores característicos desses desvios vão desde 0.05 % a 0,005 % para a conicidade e menos de 0,5 % para o sobrecorte lateral.

Figura 2.7 - Sobre corte lateral evidenciando em um sistema de lavagem por injeção.

Outro aspecto que deve aqui ser considerado é o da integridade superficial. Como o processo é térmico, desenvolvem-se tensões residuais superficiais, microtrincas, zona afetada pelo calor (ZAC), camada superficial refundida, quase todas danosas à integridade superficial e consequentemente ao desempenho da peça, em especial quando sujeita à fadiga e esforços dinâmicos. As Figuras 2.8 a 2.11, são micrografias de peças de aço rápido ABNT M2, usinadas em diferentes regimes de trabalho obtidas por Lima em 1997. Nelas é bastante característica a presença da camada refundida, de uma zona afetada pelo calor (que prossegue mesmo abaixo da camada refundida) e de microtrincas de várias formas e dimensões que podem ser medidas nas próprias micrografias. No referido trabalho usinando aço rápido ABNT M2 foram obtidas rugosidades Ra na faixa de 0,4 a 20,0 om dependendo do regime de corte usado.

Zona Afetada Pelo Calor

Figura 2.8 -Vista lateral da superfície usinada com ferramenta de cobre e regime de desbaste

Figura 2.9 - Vista lateral da superfície usinada com ferramenta de cobre regime semi-acabamento

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Microtrincas

Figura 2.10 -Vista lateral da superfície usinada com ferramenta de cobre e regime de desbaste.

Figura 2.11 - Vista superior da superfície usinada com ferramenta de cobre regime semi-acabamento

A grosso modo pode-se dizer que a TRM característica do processo é baixa (da ordem

de 0,02 a 500 mm3/ min) e que a relação de desgaste é relativamente alta para a maioria dos casos comparada com processos tradicionais usinagem. A faixa de RD cobre uma vastíssima gama, desde 0,01/1 a 100/1. Por outro lado, um aspecto positivo do processo da superfície usinada é o de não apresentar marcas de ferramenta, originando uma superfície omnidirecionalem forma de microcrateras importante para efeito de lubrificação e desgaste em situações severas de trabalho.

Além disso, o processo EDM é considerado altamente preciso e controlável, indicado para fabricação de formas complexas independente da dureza do material. Aliado a este fato, o processo pode executar, em apenas uma operação, a peça final projetada. Estes fatores compensam a baixa TRM com o que seria necessário ser executado em vários outros processos de fabricação. É um processo livre de rebarbas dando liberdade para usinagem de peças extremamente frágeis, pelo fato de não haver contato entre ferramenta e peça, diferente do que ocorre no corte pelos processos tradicionais que lançam mão dos esforços de cisalhamento e abrasão.

2.4 Equipamentos de usinagem por descargas elétricas

Dois são os tipos de máquina EDM usados mais comumente nos dias atuais. A EDM por penetração (Sinking EDM) e a EDM a fio (Wire EDM). Por ser mais tradicional, o segundo tipo de equipamento emprega um processo, também conhecido como de eletroerosão a fio, que pode ser considerado uma variante do processo clássico de eletroerosão por penetração. Tanto assim que todo o conteúdo dos itens anteriores diz respeito exclusivamente ao processo EDM por penetração.

A máquina de EDM por penetração é similar a uma furadeira ou fresadora vertical, com mesa, coluna, base, cabeçote diferenciando-se basicamente pela cuba adaptada à mesa onde se faz a usinagem da peça tal como é apresentada na Figura 2.12 abaixo. Porém, outros compartimentos específicos da EDM, fazem parte do equipamento: o circuito dielétrico (com bomba, filtros, trocadores de calor), circuito eletro-hidráulico que comanda o avanço da ferramenta em relação à peça e uma fonte de energia pulsada, que controla os parâmetros de energia do pulso e a forma do pulso.

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O circuito dielétrico é o responsável pela chegada do dielétrico à região de usinagem livre de resíduos de usinagem e com vazão e pressão controladas, conforme sugere a Figura 2.2. Como todas as máquinas-ferramenta podem ser fornecidas nas versões manuais (convencionais) ou com CNC, cada vez mais populares.

Figura 2.12 � Equipamento EDM por penetração com CNC.

A máquina de eletroerosão a fio (Wire- EDM ou Electro Discharge Wire Cutting - EDWC, em Inglês) difere da EDM à penetração pelo uso de um fio como eletrodo (com diâmetro entre 0,05 - 0,3 mm) e pelo fato de que a peça a ser usinada nem sempre está submersa no fluido dielétrico, conforme ilustra o croquis da Figura 2.13.

Figura 2.13 � Representação esquemática da região de corte no processo EDM a fio.

Este processo é usado basicamente para recortes em chapas ou em blocos produzindo peças como a ilustrada na Figura 2.14. Como o processo não requer a fabricação de ferramentas de forma, pois o fio é a própria ferramenta, isto se torna um dos aspectos mais positivos do mesmo, em comparação com a EDM por penetração.

Seçãotransversal

do fio

peça

Roldana tracionadora

Roldana de suprimento

Dielétrico

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Por outro lado, há que se dotar a máquina W-EDM de muitos graus de liberdade, pois a forma geométrica resultante, às vezes complexa, como a ilustrada na Figura 2.14, requer esta característica do equipamento.

Figura 2.14 � Exemplo de superfície obtida por EDM a fio.

O fluido dielétrico normalmente é a água desionizada, com baixa viscosidade e grande poder de refrigeração. Modernamente, porém, já existe óleo dielétrico de baixa viscosidade próprio para EDM a fio. As vantagens da baixa viscosidade são a de facilitar a remoção de material usinado, a de gerar camadas refundidas extremamente finas e a de aumentar a precisão da peça. O óleo tem sido preferido, ultimamente, por apresentar menor corrosividade e não exigir o desonizador necessário para produzir a água desionizada.

A Figura 2.15 mostra esquematicamente um equipamento EDM a fio, onde o cabeçote orienta a direção do fio, cujas roldanas se movimentam em ambos os sentidos tracionando o fio que passa dando descargas na peça. Tanto o fio como a peça podem movimentar para gerar a melhor trajetória a ser percorrida para produzir a peça desejada.

Figura 2.15 - EDM a fio - detalhe do sistema de coordenadas para realização de operação complexas com vários eixos programáveis.