Eletroerosão por Penetração

A eletroerosão é um dos processos não tradicionais mais usados atualmente.

O principal mecanismo de remoção de material na eletroerosão assenta no efeito de Joule, isto é, com a transformação da energia elétrica em energia térmica quando se dá a condução de corrente elétrica num material condutor. O calor gerado deve-se à colisão entre os eletrões livres e os átomos do condutor.

O espaço entre o elétrodo e a peça é chamado de gap e é preenchido por um fluído dielétrico [14, 22], como se encontra esquematizado na figura 40.

Figura 39 - Sistema de fixação da peça: a) Prato condutor com cavalinho e contraponto; b) Bucha de 3 grampos; c) Bucha com 4 mordente independentes; d) Pinça; e) Sistema de luneta [20].

Figura 40 - Processo de eletroerosão por penetração [10].

O fluido dielétrico, apesar de ser um bom isolador térmico, quando sujeito a um potencial elétrico suficientemente grande é ionizado, permitindo a passagem de corrente elétrica do elétrodo para a peça [23].

O campo elétrico é mais forte nos pontos de menor distância entre o elétrodo e a peça. Numa primeira fase (fig. 41) é aplicada uma tensão que aumenta progressivamente, aumentando o número de partículas ionizadas, o que diminui as propriedades isoladores do fluido dielétrico ao longo de um canal que se forma nos pontos onde o campo elétrico é mais forte. A tensão aplicada chega ao seu pico, mas ainda não se dá a passagem de corrente [23].

À medida que o fluido perde as propriedades isoladoras, uma corrente é estabelecida entre o a peça e o elétrodo, como está representado na figura 42. A tensão começa a reduzir e a intensidade da corrente a aumentar progressivamente [23].

A temperatura aumenta rapidamente com o aumento da intensidade da corrente, e com a redução da tensão. O calor vaporiza parte do fluido, assim como, parte do elétrodo e da peça, e um canal de plasma é formado entre estes [23].

Figura 42 - Passagem de corrente [23].

Uma bolha de vapor expande-se (fig. 44), limitada pelo movimento dos iões contra o canal de plasma. Estes iões são atraídos pelo campo magnético muito intenso gerado no canal de plasma [23].

Perto do fim da descarga elétrica, a intensidade da corrente e a tensão estabilizam (fig. 45), o calor e a pressão na bolha de vapor estão no seu máximo, e o metal continua a ser removido. A camada de metal abrangida pelo canal de plasma está no estado líquido, mas mantém-se na sua posição devido à pressão na bolha de vapor [23]. Os elétrodos são instantaneamente submetidos a elevadas temperaturas, perto dos 12000ºC [24].

Quando a descarga elétrica é terminada, a temperatura reduz drasticamente, o que resulta no colapso da bolha de vapor (fig. 46), e remoção do material da gap pelo fluido dielétrico [23], como está esquematizado na figura 47.

O contacto do fluido dielétrico com a peça resulta em alterações estruturais na peça, criando uma zona afetada pelo calor. Para além disso o metal derretido não removido pelo fluido dielétrico solidifica gerando assim, uma camada conhecida por “camada branca” [23].

Este é um processo cíclico (fig. 48), onde os intervalos, tempo de descarga e tempo de

Figura 46 - Colapso da bolha de vapor [23].

Figura 48 - Valores de tensão e intensidade de corrente durante um processo de eletroerosão [25].

Como se pode observar pela imagem 49, a intensidade de corrente e a frequência de descarga são dois parâmetros importantes na eletroerosão, sendo que estas influenciam a taxa de remoção do material e a rugosidade superficial. O melhor acabamento é obtido operando a elevadas frequências e a baixas intensidades de corrente. A taxa de remoção de material é maior, quanto mais elevadas forem a frequência e a intensidade de corrente [22].

A grande vantagem da EDM é a independência de propriedades mecânicas como a dureza e a resistência ao desgaste da peça a maquinar pois não existe contato direto entre o elétrodo e postiço. Outra vantagem é a aplicação em pormenores de complexidade elevada ou impossíveis de fazer através de maquinação convencional, como um furo numa superfície

inclinada [14]. O produto final não apresenta rebarbas, ao contrário dos processos convencionais de maquinagem. Neste processo, nem a peça, nem o elétrodo, são sujeitos a forças de corte, o que permite a utilização de materiais frágeis [24].

Contudo, este é não é um processo económico, e usualmente é mais lento que os processos de maquinagem convencional. Para além disso, a peça sofre alterações estruturais na zona erodida, devido a formação da camada branca, que pode necessitar de ser removida posteriormente [24].

Camada branca

A camada branca é formada pela migração do carbono do fluido dielétrico para a peça. Também o carbono dos elétrodos, quando estes são de grafite, migra para as peças. A camada branca é considerada uma danificação da superfície maquinada pois as suas propriedades diferem consideravelmente do material inicial. Por norma, esta camada apresenta elevada dureza, assim como muitas micro-fissuras devido à sua baixa ductilidade.

A camada branca é dividida normalmente em quatro zonas: zona fundida e ressolidificada, zona afetada quimicamente, zona de macro-tensões e zona de micro tensões.

A primeira camada, tal como o nome indica, resulta da solidificação do metal não expelido pelo fluido dielétrico. A zona quimicamente afetada deve-se à quantidade de energia utilizada na maquinagem, que causa a decomposição do fluido dielétrico e consequentemente a absorção do carbono pela peça.

As tensões residuais presentes na peça final advém dos gradientes térmico sofridos durante o processo [24].

Polaridade

Na eletroerosão por penetração é possível o uso de polaridades diferentes, isto é, a peça pode estar carregada positivamente e o elétrodo negativamente ou o oposto. Contudo esta diferenciação altera o resultado final [24]:

● Polaridade Direta - elétrodo ligado ao polo negativo e peça ao positivo, é usado em acabamento com pequenos tempos de impulso.

● Polaridade Inversa - elétrodo ligado ao polo positivo e peça ao negativo, é usado para desbaste com tempos de impulso grandes.

Elétrodos

O elétrodo tem a forma inversa à pretendida na peça final [14].

Todos os materiais condutores podem ser usados como elétrodos. Contudo existem duas caraterísticas muito desejáveis que limitam a escolha: alto ponto de fusão e alta condutividade elétrica.

Assim, os elétrodos podem ser divididos em dois grandes grupos: metálicos, grafitados. No primeiro estão incluídos cobres, latões, ligas de cobre/tungsténio, cobre/telúrio ou apenas tungsténio. Os elétrodos de grafite, que podem variar no tamanho de grão e densidade ou até mesmo ser ligados com cobre, são os constituintes dos elétrodos grafitados.

Tabela 3 - Propriedades dos Elétrodos [26,27].

Propriedades Físicas Grafite Cobre

Resistividade Elétrica

[μΩ.cm] 1500 1.72

Condutividade elétrica

comparado com prata [%] 0.11 92

Condutividade Térmica

[W/mK] 121 394

Ponto de Sublimação e Fusão

[°C] 3600 1083

Calor Específico [cal/g°C] 0.179 0.092

Peso Específico a 20 ºC

[g/𝑐𝑚 ] 1.84 8.94

Coeficiente de expansão

térmica [x 10 °𝐶 ] 7.7 17

Analisando a tabela 3, percebe-se que a grafite não tem ponto de fusão, mas de sublimação, e, por isso, é possível submetê-la a elevadas potências sem que esta apresente grande desgaste. Assim é possível obter grandes taxas de remoção de material com baixo desgaste da ferramenta [24].

Fluídos Dielétricos

Os fluidos dielétricos mais usados são óleos hidrocarbonetos, querosene e água destilada. Para além da sua função como isolante térmico e canal de plasma, o fluido dielétrico é também o responsável por remover o material erodido da zona de corte, assim como, arrefecer a ferramenta e a peça [22].

Fixação das Peças

As peças são fixas num prato magnético e alinhadas com recurso a um comparador. Para estabelecer o posicionamento, quer da peça, quer do elétrodo, em relação ao zero da máquina é utilizado um centrador e, posteriormente, a máquina aplica as devidas compensações.