Medidas de Desempenho do Processo

O desempenho do processo de eletroerosão depende de vários fatores tais como a energia utilizada na descarga, a frequência repetitiva, a realização efetiva de servo-controlo, a eficiência do fluxo e da limpeza da folga e os tipos de materiais utilizados. Assim sendo, é necessário encontrar as medidas que melhor avaliam o desempenho do processo de eletroerosão, sendo estas a taxa de desgaste da peça, a taxa de desgaste da ferramenta, o desgaste relativo da ferramenta e o acabamento superficial [9]. Têm sido realizados diversos estudos focados em encontrar as medidas ótimas de desempenho do processo de eletroerosão, tais como o aumento da taxa de remoção do material da peça, baixo valor da taxa de desgaste da ferramenta – TWR (tool wear rate) e qualidade superficial satisfatória [3].

Relativamente ao mecanismo de remoção de material, vários estudos explicam este conceito em termos de migração dos elementos do material entre a peça de trabalho e o elétrodo, ou seja, existe uma difusão de uma quantidade apreciável de elementos do elétrodo para a peça de trabalho e vice-versa. Estes elementos são transportados no estado sólido, líquido ou gasoso. Os elementos erodidos do elétrodo e da peça, juntamente com os produtos desintegrados do fluído dielétrico, afetam significativamente o mecanismo de remoção de material relativo às três fases de formação de faísca: quebra da rigidez dielétrica, ou seja, o fluido passa a conduzir a corrente elétrica (breakdown), descarga e erosão. Além disso, invertendo a polaridade altera- se o fenómeno de remoção de material com uma quantidade significativa de material do elétrodo depositado na superfície da peça. O mecanismo de remoção de material pode ser também explicado tendo em conta que as forças eletrostáticas e a distribuição de tensões que

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atuam no elétrodo cátodo são as principais causas de remoção de metal para impulsos curtos [3].

Começando pelo parâmetro que indica a taxa de remoção de material da peça - MRR (material removal rate), este fornece indicação sobre qual a velocidade de corte de material da peça e é dependente de vários fatores. No entanto, não depende da dureza da peça, como acontece nos processos de maquinagem convencional, mas dependente sim das características físicas do material. A taxa de remoção de material da peça é medido volumetricamente e é expresso em mm3/min [1]. Uma vez que a forma do elétrodo define a área na qual vai ocorrer erosão do material, a exatidão da peça obtida pelo processo de eletroerosão é bastante elevada [3]. Entre os fatores que afetam a velocidade de remoção de material da peça tem-se energia usada na descarga, que depende da duração de impulso e da intensidade da corrente; a frequência repetitiva da descarga; a realização efetiva do servo-controlo, uma vez que as velocidades de corte estão diretamente relacionas com a percentagem efetiva de descargas que removem material, é essencial qualquer variação na distância entre ferramenta e peça a trabalhar devido à erosão do material ou curto-circuitos causados por pequenos detritos de material removido que afetam o número de descargas efetivas, a qual deverá ser rápida e continuamente retificada. O sistema servo deverá atuar rapidamente e efetivamente para manter a velocidade de corte máxima; a eficiência do fluxo ou limpeza da abertura entre ferramenta e peça a trabalhar. Como já foi referido, a acumulação de resíduos, nomeadamente, limalha, na zona entre a ferramenta e a peça a trabalhar (folga) pode causar distúrbios na estabilidade da maquinagem, como a formação de curto-circuito; e o tipo de materiais da ferramenta e da peça a trabalhar. Sabe-se que a ação erosiva é essencialmente devido à elevada temperatura que causa fusão e evaporação do material, pelo que os materiais escolhidos devem possuir um elevado ponto de fusão para resistirem ao desgaste. Por outro lado, o material da ferramenta não deve sofrer elevado desgaste. Se for utilizado para operações de acabamento, então deve permitir um elevado grau de detalhe e acabamento [1].

Através de alguns estudos foi possível perceber que o valor de MRR diminui com o decréscimo da intensidade de corrente, isto para uma polaridade positiva, ou seja, o elétrodo (ferramenta) é o elemento positivo. Porém, para a mesma intensidade de corrente existe uma velocidade de corte máxima para um valor intermédio do impulso [1]. Também se verificou, através de resultados experimentais, que uma maior corrente do impulso resulta numa maior taxa de remoção de material da peça [31].

Passando agora ao processo de remoção de material da ferramenta, este é bastante similar ao mecanismo de remoção de material já abordado anteriormente, no qual a ferramenta e a peça são considerados como um conjunto de elétrodos. Alguns autores afirmam que o desgaste da ferramenta é afetado pela precipitação do Carbono a partir do dielétrico de hidrocarbonetos, sobre a superfície do elétrodo durante a ocorrência de faísca. Também o rápido desgaste na ponta do elétrodo é causado pela falha do Carbono precipitar em regiões de difícil acesso do elétrodo [3]. A taxa de desgaste da ferramenta – TWR (tool wear rate) é expressa em mm3/min [1].

Relativamente ao desgaste relativo da ferramenta – TW (tool wear ratio), este parâmetro é calculado através da razão entre a taxa de desgaste da ferramenta e a taxa de remoção de material da peça, sendo este parâmetro expresso em %, tal como indicado na equação (2) [1]:

𝑇𝑊 [%] =𝑇𝑊𝑅 [𝑚𝑚

3_{/𝑚𝑖𝑛]}

𝑀𝑅𝑅 [𝑚𝑚3_{/𝑚𝑖𝑛]} (2)

Assim sendo, ficou comprovado que o valor de TW diminui com o aumento da duração do impulso considerando a mesma intensidade de corrente, porém o valor de TW aumenta com o aumento da intensidade de corrente, sendo isto mais notório para grandes impulsos. Esta conclusão é válida para uma polaridade positiva [1].

Como se sabe, o que se pretende no processo de eletroerosão é que o valor da taxa de remoção de material na peça seja superior ao valor da taxa de desgaste da ferramenta. Quando o contrário acontece, por vezes é necessário alterar a polaridade aplicada ou, caso contrário, está-se a desgastar a ferramenta e a maquinagem que ocorre na peça é bastante inferior ao desejado. Assim sendo, quando o valor do TW é inferior a 100 %, significa que o valor do MRR é superior ao valor do TWR. Quanto menor for o valor de TWR, menor será o valor de TW. Quando o valor de TW é superior a 100 % significa que o valor de MRR é inferior ao valor de TWR.

Passando agora ao acabamento superficial, é importante referir que a característica mais notável da superfície de acabamento produzida por eletroerosão é a sua aparência, aleatória relativamente às marcas direcionais típicas dos métodos de maquinagem convencional. O acabamento superficial é avaliado através da leitura standard da rugosidade (utilizando os rugosímetros). O grau de rugosidade obtido depende do tamanho da cratera produzida, sendo

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que esta depende da quantidade de energia utilizada na descarga durante a maquinagem. Sendo a quantidade de energia da descarga fortemente dependente dos valores da intensidade de corrente e da duração do impulso, concluiu-se que o acabamento final deverá ser efetuado com baixas intensidades de corrente e pequenos impulsos. Parece existir um pico de rugosidade máxima para impulsos intermédios decrescendo para grandes impulsos [1].

Além da rugosidade obtida na peça, existem outras consequências do efeito térmico da descarga durante o processo, sendo elas notórias em termos químicos e mecânicos. Assim sendo, o estudo da integridade da superfície maquinada, importante para o melhoramento das características da superfície maquinada como a resistência ao desgaste e corrosão, envolve não só a rugosidade, mas também o estudo e análise das zonas afetadas pelo calor, da micro-dureza, micro-fissuras, tensões residuais e difusão do material da ferramenta e Carbono do fluído dielétrico [1].

Guu et al. [32] realizam um estudo com o intuito de avaliar os efeitos das condições de maquinagem por eletroerosão nas características da superfície e analisar o dano causado por este processo em provetes de aço de ferramenta AISI D2 maquinados, utilizando para esse efeito um modelo baseado em dados experimentais. Para isso, o aço foi sujeito a tratamento térmico sendo posteriormente temperado e depois revenido, sendo, seguidamente, arrefecido ao ar. Após os tratamentos térmicos, o material foi retificado. Foram utilizados dois tipos de provetes, um polido e um maquinado pelo processo de eletroerosão. Com os resultados obtidos, estes investigadores encontraram várias correlações importantes relativas ao processo de eletroerosão, baseadas em dados experimentais. Através dos resultados obtidos, verificou-se que uma corrente de impulso elevada origina um acabamento superficial de baixa qualidade. Um acabamento superficial excelente pode ser obtido utilizando uma baixa corrente de impulso e um curto tempo de duração de descarga. No entanto, esta abordagem consome bastante tempo. Neste âmbito, estes investigadores desenvolveram uma correlação entre a rugosidade superficial e os parâmetros de maquinagem, dada pela equação (3) [32]:

𝑅_𝑎 = 0.83. (𝐼_𝑝)0.79. (𝜏_𝑜𝑛)0.12 (3)

onde Ra é a rugosidade média aritmética superficial, Ip refere-se à corrente de impulso e τon representa a duração da descarga. Através desta correlação, verifica-se que a corrente de impulso tem um efeito mais importante na rugosidade superficial relativamente ao efeito da

duração da descarga. Esta relação pode ser atribuída ao facto de uma elevada corrente de impulso poder causar quebra do dielétrico (passa de não condutor a condutor de corrente elétrica), havendo expulsões mais frequentes de material fundido resultando em acabamentos superficiais menos satisfatórios. A utilização de energias de impulso baixas melhora a qualidade superficial e reduz as tensões residuais de tração [32].

Passando agora à correlação entre a camada ressolidificada e os parâmetros de maquinagem, estes investigadores, através de dados experimentais, verificaram que a espessura da camada ressolidificada, t, aumenta significativamente com a corrente de impulso e com a duração da descarga e desenvolveram a correlação dada pela equação (4) [32]:

𝑡 = 2.93. (𝐼𝑝) 0.36

. (𝜏𝑜𝑛)0.29 (4)

Relativamente à correlação entre a tensão residual, σr, e os parâmetros de maquinagem, estes investigadores chegaram à correlação dada pela equação (5), verificando-se através da mesma que a tensão residual depende dos parâmetros do processo de eletroerosão. A tensão residual de tração aumenta com o aumento da corrente de impulso e da duração da descarga [32].

𝜎_𝑟 = 192.48. (𝐼_𝑝)0.20. (𝜏_𝑜𝑛)0.11 (5)

Passando à correlação entre a resistência à tração (ou tensão de rotura) e os parâmetros de maquinagem, estes investigadores analisaram as curvas de tensão-deformação quer para o provete polido quer para provetes maquinados pelo processo de eletroerosão, tal como indicado na Figura 10. É notório que as condições de trabalham podem influenciar a resistência à tração. A resistência à tração dos provetes polidos é superior à resistência dos provetes maquinados pelo processo de eletroerosão. A degradação da resistência à tração é particularmente significativa para valores elevados da corrente de impulso e longos tempos de duração da descarga. Esta relação é devida à energia de descarga, que altera a microestrutura do material, iniciando-se dano na superfície causado pelo processo de maquinagem, que origina uma concentração de tensões que pode levar a uma diminuição da tensão de serviço [32].

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Figura 10: Curvas tensão-extensão para vários parâmetros de maquinagem: (a) provete polido; (b), (c) e (d) provetes maquinados, utilizando uma duração de descarga de 20 μs, 100 μs e 180 μs, respetivamente [32].

Relativamente à correlação entre o dano causado pelo processo de maquinagem e os seus parâmetros, os investigadores chegaram à expressão dada pela equação (6), onde se relaciona a variável dano, D, que caracteriza o estado de deterioração do material, com os parâmetros do processo de eletroerosão [32]: 𝐷 = 0.07. (𝐼_𝑝)0.66. (𝜏_𝑜𝑛)0.21 (6) (b) (a) (d) (c)