UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio
Grande do Sul
DETEC – Departamento de Tecnologia
ANÁLISE DO PROCESSO
DE USINAGEM ELETROQUÍMICA
ANDERSON MARTINS DA SILVA
ENGENHARIA MECÂNICA Trabalho de Conclusão de Curso
Orientador: Prof. Msc. Cláudio Fernando Rios
ANDERSON MARTINS DA SILVA
ANÁLISE DO PROCESSO
DE USINAGEM ELETROQUÍMICA
Relatório de Trabalho de Conclusão de Curso para a obtenção do Título de Engenheiro Mecânico pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ.
Orientador: Prof. Msc. Cláudio Fernando Rios
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
DETEC – Departamento de Tecnologia
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
Trabalho de Conclusão de Curso
ANÁLISE DO PROCESSO
DE USINAGEM ELETROQUÍMICA
Autor: Anderson Martins da Silva Banca avaliadora:
1° Avaliador: Prof. Msc. Cláudio Fernando Rios– Unijuí 2° Avaliador: Prof. Dr. Gil Eduardo Guimarães – Unijuí
RESUMO
Este trabalho apresenta conceitos e aplicações práticas do processo de usinagem eletroquímica (Electrochemical Machining - ECM), o estado da arte, princípios básicos e avançados do funcionamento, sua importância e potencial futuro no cenário industrial dos processos de usinagem. Para validação das informações apresentadas foram realizados testes práticos de usinagem onde as características do processo apresentadas pela bibliografia base foram postas à prova, sendo analisados pontos relevantes do processo como aplicabilidade, taxa de remoção de material, controle e operação. Os ensaios de usinagem foram realizados em uma célula eletrolítica, onde foram variados parâmetros fundamentais do processo como corrente elétrica e reabastecimento de eletrólito, obtendo-se resultados que comprovaram a aplicabilidade e eficácia do processo independentemente da dureza do material usinado.
SUMÁRIO
SUMÁRIO ... 5 LISTA DE FIGURAS ... 7 LISTA DE TABELAS ... 9 LISTA DE EQUAÇÕES ... 10 1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1 Justificativas ... 3 1.2 Objetivos ... 4 1.2.1 Objetivos gerais ... 4 1.2.2 Objetivos específicos ... 4 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 52.1 Descrição geral do processo de usinagem eletroquímica ... 5
2.2 Tecnologia do processo ... 8
2.2.1 Eletrólise ... 8
2.2.2 Célula eletrolítica ... 10
2.2.3 Reações no processo eletroquímico ... 11
2.3 O Eletrólito ... 14
2.3.1 A importância do eletrólito ... 14
2.3.2 Requisitos básicos dos eletrólitos ... 17
2.4 Aplicações ... 18
2.4.1 Palhetas de turbinas ... 18
2.4.2 Rodas dentadas ... 19
2.4.3 Micro pinos para medicina ... 19
2.4.4 Hélices de bombas ... 20 2.4.5 Rotores de turbinas ... 21 2.4.6 Anéis difusores ... 21 3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ... 22 3.1 Recursos requeridos ... 22 3.2 Corpos de prova ... 27 3.2.1 O aço VC-131 ... 28 3.3 Procedimentos ... 28
3.3.2 Corpo de prova 1... 30
3.3.3 Corpo de prova 2... 33
3.3.4 Corpo de prova 3... 35
3.3.5 Corpo de Prova 4... 37
4. RESULTADOS ... 39
4.1 Taxa de remoção de material ... 39
5. CONCLUSÕES ... 42
5.1 Observações e inferências ... 42
5.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 44
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 45
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Princípio de funcionamento do processo ECM - ELECTROCHEMICAL MACHINING [7] ... 5
Figura 2: Usinagem eletroquímica com difíceis posições de abordagem – BARBER NICHOLS [10] ... 7
Figura 3: Célula eletrolítica - ELECTROCHEMICAL MACHINING [7] ... 8
Figura 4: Atração dos íons pelos pólos opostos - SARDELLA [11] ... 10
Figura 5: Dissociação do Ferro na célula eletrolítica - ELECTROCHEMICAL MACHINING [7] ... 10
Figura 6: representação gráfica do processo - ELECTROCHEMICAL MACHINING [7] ... 12
Figura 7: Diagrama das reações eletroquímicas durante a usinagem do ferro em uma solução eletrolítica de cloreto de sódio (NaCl) - ELECTROCHEMICAL MACHINING [7] ... 12
Figura 8: Palheta de turbina – BARBER NICHOLS [10] ... 18
Figura 9: Roda dentada – BARBER NICHOLS [10] ... 19
Figura 10: Micro pinos para medicina – BARBER NICHOLS [10] ... 20
Figura 11: Difusor – BARBER NICHOLS [10] ... 20
Figura 12: Rodas de turbinas – BARBER NICHOLS [10] ... 21
Figura 13: Componentes de turbo compressores – BARBER NICHOLS [10] ... 21
Figura 14: Centro de usinagem DYNA 2016 – PRÓPRIO AUTOR ... 23
Figura 15: Fonte de potência DAWER FCC 3005 D – PRÓPRIO AUTOR ... 24
Figura 16: Eletrodo utilizado no CP1 – PRÓPRIO AUTOR ... 25
Figura 17: Montagem do equipamento de usinagem – PRÓPRIO AUTOR ... 26
Figura 18: Célula eletrolítica – PRÓPRIO AUTOR ... 26
Figura 19: Corpos de prova para usinagem – PRÓPRIO AUTOR ... 27
Figura 20: Balança de precisão DENVER M-220 – PRÓPRIO AUTOR... 27
Figura 21: Aproximação lateral do eletrodo – PRÓPRIO AUTOR ... 30
Figura 22: Usinagem do CP1 – PRÓPRIO AUTOR ... 31
Figura 23: Eletrólito saturado de óxido – PRÓPRIO AUTOR ... 32
Figura 24: Metal removido do CP1 decantado no fundo do recipiente – PRÓPRIO AUTOR ... 32
Figura 25: CP1 após usinagem – PRÓPRIO AUTOR ... 33
Figura 26: Usinagem do CP2 – PRÓPRIO AUTOR ... 34
Figura 27: CP2 após usinagem com seta indicativa no ponto ... 35
Figura 28: Usinagem do CP3 – PRÓPRIO AUTOR ... 36
Figura 29: CP3 após usinagem – PRÓPRIO AUTOR ... 36
Figura 31: CP4 após usinagem – PRÓPRIO AUTOR ... 38 Figura 32: Gráfico comparativo das taxas de remoção de material – PRÓPRIO AUTOR ... 41
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Pesagem dos CPs antes da usinagem ... 28 Tabela 2: Pesagem dos CPs após usinagem ... 39 Tabela 3: Taxa de remoção de material obtida nos ensaios ... 40
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1: Dissociação do NaCl ... 10
Equação 2: Ionização da água... 10
Equação 3: Reação do cátodo ... 10
Equação 4: Reação do ânodo ... 10
Equação 5: Reação global ... 10
Equação 6: Dissociação do eletrólito ... 14
Equação 7: Evolução de hidrogênio no cátodo ... 14
Equação 8: Dissociação do ferro na peça ... 14
Equação 9: Formação do Hidróxido de ferro ... 14
1. INTRODUÇÃO
A utilização de novos materiais para aplicações em engenharia tem sido cada vez mais crescente no último século. Mais recentemente, devido aos grandes avanços tecnológicos da indústria e consequente necessidade de materias sempre com melhor desempenho, surgiram, além de ligas extremamente resistentes, os materiais produzidos em laboratório, como os compósitos e as cerâmicas.
Muito esforço tem sido dispendido para melhorar o desempenho destes materiais em suas respectivas aplicações, alguns inclusive utilizados como ferramenta de corte na usinagem, porém há que se pensar sempre que, pelo princípio da usinagem convencional, o material da ferramenta deve ser mais duro do que a peça que está sendo usinada.
Os pesquisadores buscam sempre o desenvolvimento de materias de maior dureza, resistência mecânica, à corrosão, à fadiga e uma séria de outras características. O resultado disso é o surgimento de materias inevitavelmente mais frágeis, que cada vez mais desafiam os fabricantes de máquinas e equipamentos de usinagem, pois a lista dos processos que seriam aplicáveis para a usinagem de tais materiais começa a ficar cada mais restrita, uma vez que a usinagem por remoção mecânica de material se torna muito mais difícil.
Esta dificuldade de atender à demanda pela usinagem convencional abre precendentes para a aplicação de processos de usinagem não convencionais (ou não tradicionais). Tais processos são assim chamados pois referem-se ao fato de a energia dispendida ser aplicada em sua forma mais direta, sem a necessidade, na grande maioria das vezes, de uma ferramenta de corte (Rodríguez, Rubio, Abrão, 2001).
Estes processos vêm sendo aplicados com mais sucesso nos últimos 50 anos, e, por terem sido desenvolvidos numa era mais avnçada, a maior parte desses equipamentos é comandada numericamente, o que permite o controle e a monitoração do processo, alcançando elevada exatidão.
O processo de Usinagem Eletroquímica (ECM - Electrochemical machining) foi desenvolvido inicialmente para a usinagem destas ligas metálicas de alta resistência
mecânica, embora qualquer metal possa ser usinado por este processo. A usinagem eletroquímuca é um processo eletrolítico e sua base é o fenômeno da eletrólise, cujas leis foram estabelecidas por Faraday em 1833.
Os primeiros desenvolvimentos significativos ocorreram na década de 1950, quando o processo ECM foi investigado como um método para a formação de ligas de alta resistência. A partir de 1990 a tecnologia passou a ser empregada mais largamente na indústria, no setor automotivo, petrolífero, indústrias e engenharia médica, bem como por empresas aeroespaciais, que são atualmente seus principais usuários.
No processo ECM a remoção de metal é obtida através da dissolução eletroquímica de uma peça anodicamente polarizada, que por sua vez é parte de uma célula eletrolítica. Metais de qualquer dureza podem ser usinados eletroliticamente usando o método ECM e a taxa de usinagem não depende de sua dureza. O eletrodo usado no processo (ferramenta usada como modelo) não se desgasta e, portanto, metais macios podem ser usados como ferramentas para usinar peças de dureza muito superiores a ela, ao contrário dos métodos convencionais de usinagem.
O processo é usado tanto para desbaste quanto para a obtenção de superfícies lisas, furos, perfis de forma complexa, e removeção trincas de fadiga em estruturas de aço. Sua combinação com outras técnicas de usinagem produz aplicações em indústrias de diversas áreas.
1.1 Justificativas
Apesar das inúmeras vantagens apresentadas pelo processo de usinagem eletroquímica, este método é ainda muito pouco aplicado na indústria nacional, se comparado com alguns métodos não convencionais como a Eletro-erosão, por exemplo. Isto talvez se deva ao fato de tal processo tecnologia não estar tão disseminada quanto as demais nem mesmos nos meios acadêmicos.
A pesquisa do processo e desenvolvimento de protótipos de usinagem, para fins acadêmicos, ainda que demonstrem meramente o princípio de funcionamento, podem auxiliar na divulgação do processo e suas vantagens, na criação de um campo de pesquisa das quais possam surgir métodos de aplicação e desenvolvimento de equipamentos de usinagem industrial, criando condições para que este campo possa ser mais largamente explorado.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivos gerais
O objetivo geral deste trabalho é a realização de uma pesquisa detalhada do processo de Usinagem Eletroquímica (ECM), no que diz respeito ao princípio de trabalho, funcionamento do sistema, características específicas e aplicações na indústria.
1.2.2 Objetivos específicos
Como forma de aprofundar os estudos realizados no processo em questão e valorizar o trabalho apresentado, foram propostos objetivos específicos, listados a seguir:
Ø Montagem de uma célula eletrolítica, na qual seja possível a aplicação prática do processo para a usinagem de corpos de prova, a fim de validar os estudos realizados e dados obtidos da bibliografia;
Ø Usinagem de corpos de prova de aço comum, para fins de validação do processo e averiguação prática das características principais;
Ø Usinagem de amostras de aço VC 131 temperadas, para posterior comparação de resultados com a variação dos parâmetros de usinagem;
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Descrição geral do processo de usinagem eletroquímica
A usinagem eletroquímica (ECM - Electrochemical machining) é um processo não convencional de usinagem, no qual a remoção de material não se dá por arranque de material por meios mecânicos abrasivos, mas sim pelas reações químicas que ocorrem durante o processo. O princípio de funcionamneto é baseado em um processo eletroquímico de dissolução anódica controlada da peça (ânodo) com a ferramenta (cátodo) em uma célula eletrolítica, durante um processo de eletrólise, que é acelerado pela passagem forçada de corrente elétrica entre a peça e o eletrodo, como mostrado na Figura 1.
Figura 1: Princípio de funcionamento do processo ECM - ELECTROCHEMICAL MACHINING [7]
Conforme relatam estudos da University of Nebraska–Lincoln [7], 0s primeiros desenvolvimentos significativos da tecnologia ECM ocorreram nos anos 1950, quando a Anocut Engineering Company estabeleceu a técnica de usinagem de metal anódico como uma técnica de usinagem comercialmente possível. A partir de 1990 o processo ECM já surge na indústria como meio de usinagem utilizado em diversos setores da indústria,
como por exemplo o setor automotivo, petrolífero, engenharia médica, bem como por empresas aeroespaciais, que atualmente são o seu principal usuário.
O processo ECM é uma tecnologia relativamente nova que tem grande aplicação na usinagem de peças de grande dureza e/ou alta resistência ao cisalhamento, por ser um processo em que praticamente não há desgaste da ferramenta (eletrodo) nem geração de calor, atrito ou contato direto na interface peça-ferramenta, o que preserva as características físicas e propriedades mecânicas de ambas.
Metais endurecidos podem ser usinados usando o processo ECM e a taxa de remoção de material não depende de sua dureza, pois a remoção do metal é obtida pela dissolução eletroquímica da peça, que, anodicamente polarizada, é uma parte de uma célula eletrolítica, que trabalha sobre os princípios da eletrólise. Na usinagem eletroquímica os eletrodos usados no processo não se desgastam e, portanto, metais macios podem ser usados como ferramentas de usinagem de peças de maior dureza, ao contrário dos métodos convencionais de usinagem. O processo é usado para superfícies lisas, furos, formas complexas, etc.
Segundo Kozak (1992), as características principais do processo de usinagem eletroquímica são:
· A taxa de remoção de material não depende da dureza ou das propriedades mecânicas do metal a ser usinado porque o material é removido por dissolução anódica e não por meios mecânicos. Materiais eletricamente condutivos podem ser usinados a taxas de até 84 mm³/minuto.
· A precisão do processo ECM é dependente de forma e dimensões da peça usinada, mas estará aproximadamente entre 0,05 mm a 0,3 mm no uso de corrente contínua e de 0,02 mm a 0,05 mm no uso de corrente pulsante;
· A rugosidade superficial obtida é decrescente de acordo com a taxa de remoção de material. Os resultados alcançados ficam aproximadamente entre 100 e 250 μm;
· A usinagem eletroquímica não gera tensões residuais no material da peça;
· O consumo de energia do processo ECM é relativamente elevado e fica entre 200 a 600 J/mm3, dependendo da tensão e das propriedades eletroquímicas do material da peça usinada;
· Eliminação da deflexão da ferramenta nos casos em que características da peça requerem agudos ângulos de abordagem da ferramenta, ou em situações que exigem elevadas razões comprimento/diâmetro de cortes. Isso ocorre porque a ferramenta, na ECM, não entra em contato físico direto com a peça e, como resultado, não há forças deflectivas que podem causar a faixa ferramenta fora do curso.
A Figura 2 mostra exemplos de componentes de turbo compressores. A retificação das palhetas exige uma situação de usinagem com elevado ângulo de ataque da ferramenta, difícil de ser atingido na usinagem convencional.
2.2 Tecnologia do processo
2.2.1 Eletrólise
Segundo SARDELLA (1999), a eletrólise é uma reação não espontânea de decomposição de uma substância, por meio de corrente elétrica. A eletrólise é um processo eletroquímico, caracterizado pela ocorrência de reações de oxi-redução em uma solução condutora quando se estabelece uma diferença de potencial elétrico entre dois eletrodos mergulhados nessa solução.
Durante a eletrólise, ocorre primeiro a decomposição (ionização ou dissociação) do composto em íons e, posteriormente, com a passagem de uma corrente contínua através destes íons, são obtidos os elementos químicos. Em muitos casos, dependendo da substância a ser eletrolisada e do meio em que ela ocorre, além de formar elementos ocorre também a formação de novos compostos.A denominação solução eletrolítica, empregada para designar qualquer solução aquosa condutora de eletricidade, deriva justamente desse processo.
A Figura 3 mostra o esquema de uma célula eletrolítica na qual ocorre a eletrólise da água salgada:
Um composto iônico, neste caso o NaCl é dissolvido em água, de modo que seus íons estejam dispersos e disponíveis no líquido. Uma corrente elétrica é aplicada entre um par de eletrodos inertes imersos no líquido. O eletrodo de carga negativa é chamada de cátodo, enquanto o de carga positiva é o ânodo. Cada eletrodo atrai íons de carga oposta, portanto, os íons carregados positivamente (chamados cátions) moven-se no sentido do cátodo, enquanto os íons carregados negativamente (chamado ânions) se movem em direção ao ânodo.
A energia necessária para separar os íons e levá-los a unirem-se nos respectivos eletrodos é fornecida por uma fonte externa de energia elétrica. Na interface eletrodo/eletrólito os elétrons são absorvidos ou liberados pelos íons, formando novas moléculas e/ou compostos qúmicos, de acordo com as substâncias disponíveis no meio.
No caso demonstrado na Figura 3, tem-se dois eletrodos inertes imersos em uma mistura de água e sal (H2O + NaCl), as reações que ocorrerão no meio pela passagem de corrente elétrica são:
DISSOCIAÇÃO 2 NaCl → 2 Na+ + 2Cl (2X) (1)
IONIZAÇÃO DA ÁGUA 2 H2O → 2 H+ + OH- (2X) (2)
REAÇÃO DO CÁTODO 2 H+ + 2 e → H2(g) (3)
REAÇÃO DO ÂNODO 2 Cl- + Cl2(g) (4)
REAÇÃO GLOBAL 2 NaCl + 2 H2O → 2 Na+ + 2 OH- + H2(g) + Cl2 (5)
SARDELLA [11] explica que os cátions formados H+ e Na+ deverão ser atraídos pelo cátodo, e os ânions OH- e Cl- serão atraídos pelo ânodo, conforme mostra a Figura 4. Assim, formam-se nos eletrodos o gás cloro(Cl2) e o gás Hidrogênio (H2), que poderão ser
vistos borbulhando no entorno dos respectivos eletrodos, enquanto os elementos restantes Na+ e OH- se unirão e formarão moléculas de Hidróxido de Sódio NaOH.
Figura 4: Atração dos íons pelos pólos opostos - SARDELLA [11]
As Leis de Faraday da eletrólise afirmam que a massa de uma substância produzida em um eletrodo durante a eletrólise é proporcional ao número de moles de elétrons (a quantidade de eletricidade) transferidos, ou seja, quanto maior a passagem de corrente elétrica entre eletrodo e peça, maior será o volume de material removido.
2.2.2 Célula eletrolítica
A célula eletrolítica, para o estudo do processo ECM, pode ser definida como o meio no qual ocorrerão as reações de oxidação e redução dos elementos químicos. Esta célula será composta de um sistema de eletrodos submersos em um eletrólito e abastecidos eletricamente por um fonte externa, como ilustrado na Figura 5:
Dentro da célula eletrolítica, e por meio dos componentes dela, é que irão ocorrer todas as reações químicas do sistema. O movimento dos íons é acompanhado pelo fluxo de elétrons, no sentido oposto à corrente positiva no eletrólito, fora da célula, e ambas as reações são conseqüência da aplicação da diferença de potencial, isto é, tensão , a partir da fonte elétrica .
No caso da Figura 5, o ânodo de ferro sofre oxidação, enquanto o cátodo sofre redução. Um cátion atingindo o cátodo é neutralizado eletricamente pelos elétrons negativos deste. Uma vez que o cátion é geralmente o átomo carregado positivamente de um metal, o resultado desta reação é a deposição de átomos de metal.
Para manter a reação catódica, os elétrons são obrigados a passar em todo o circuito externo. Estes eletrons são obtidos a partir dos átomos do ânodo de metal, e estes átomos tornam-se assim os cátions positivamente carregados que passam na solução. Neste caso, a reação é o inverso da reação catódica.
O eletrólito em seu volume deve ser eletricamente neutro, isto é, deve haver um número igual de cargas opostas dentro dele, e, portanto, deve haver quantidades iguais de reação em ambos os eletrodos.
2.2.3 Reações no processo eletroquímico
A usinagem eletroquímica (ECM) é um processo eletroquímico de dissolução anódica controlada em nível atômicoda peça de trabalho, na qual uma corrente contínua de alta densidade e baixa tensão ( 12 a 24 V)é passada entre a peça a ser usinada (o ânodo) e uma ferramenta modelo, chamada eletrodo (o cátodo). Na superfície da peça anódica, o metal é dissolvido em íons metálicos, e assim a forma da ferramenta é copiada para a peça. A figura 6 ilustra o processo de usinagem onde o eletrodo avança em direção à peça, e, sem tocá-la, transfere a ela as caractrísticas do seu perfil.
Figura 6: representação gráfica do processo - ELECTROCHEMICAL MACHINING [7]
O eletrólito é forçado a fluir através de uma folga entre os eletrodos com alta velocidade, geralmente mais de 5 m/s, para intensificar a transferência das cargas elétricas e para remover os óxidos, calor e bolhas de gás geradas na folga entre eletrodos. A direção de avanço mais comumente utilizada é no sentido eletrodo para a peça, ou seja, o eletrodo avança na direção da peça.
Quando uma diferença de potencial é aplicada entre os eletrodos, inúmeras reações químicas ocorrem entre ânodo e cátodo, como ilustra a Figura 7.
Figura 7: Diagrama das reações eletroquímicas durante a usinagem do ferro em uma solução eletrolítica de cloreto de sódio (NaCl) - ELECTROCHEMICAL MACHINING [7]
Tomando-se o exemplo da Figura 7 na usinagem do aço de baixo carbono, que é basicamente uma liga de ferro, as reações desencadeadas no processo eletroquímico para
a usinagem de aço são inúmeras. Também, geralmente uma solução de sal neutro de cloreto de sódio (NaCl) é usada como eletrólito, pela facilidade com que seus elementos químicos reagem com o Fe.
Quando uma diferença de potencial é aplicada, o eletrólito e a água sofrem dissociação iônica, como mostrada abaixo:
NaCl ↔ Na+ + Cl- H2O ↔ H+ + (OH)- (6)
Como a diferença de potencial é aplicada entre a peça de trabalho (ânodo) e a ferramenta (cátodo), os íons positivos avançam no sentido da ferramenta e os íons negativos movem-se em direção à peça. Assim, os íons positivos de hidrogênio (dissociados da água - H2O) irão unir-se com a parede da ferramenta (cátodo) e “receber” os elétrons oriundos da peça de trabalho, (elétrons estes que foram transferidos via ligação de cabeamento elétrico, e não via eletrólito), formando moléculas de gás, que poderá ser visto borbulhando na parede do cátodo:
2H+ + 2e- = H2 ↑ no cátodo (7)
Da mesma forma, os átomos de ferro sairão do ânodo (peça de trabalho), e está é a dissociação física da peça, molécula a molécula:
Fe = Fe++ 2e- (8)
Dentro do fluído eletrolítico, os íons de ferro combinam-se com os íons cloreto para formar cloreto de ferro. Da mesma forma, os íons de sódio se combinam com íons hidroxila para formar hidróxido de sódio:
Na+ + OH- = NaOH (9)
Desse modo, observa-se que a peça de trabalho é gradualmente usinada. Na prática, FeCl2 e Fe(OH)2 se formam e se precipitam no fundo da cuba numa espécie de
lodo. Além disso, não há deposição de material sobre a ferramenta, apenas o gás de hidrogênio que evolui sobre ela.
Segundo PANDEY e SHAN (1985), como a remoção de material ocorre devido à dissociação nível atômico, a superfície usinada é de excelente acabamento superficial e sem tensões residuais.
2.3 O Eletrólito
2.3.1 A importância do eletrólito
Na usinagem eletroquímica o objetivo primeiro e fundamental do eletrólito é completar o circuito elétrico, permitindo a passagem de corrente entre cátodo e ânodo, desta forma, quanto melhor condutor for o eletrólito mais efetivo será o processo. Concomitantemente, o eletrólito também desempenha funções de refrigeração e limpeza da região de usinagem. PANDEY E SHAN (1985) atribuem ao eletrólito três funções fundamentais:
· Completar o circuito elétrico entre ânodo e cátodo;
· Promover a remoção de resíduos oriundos do processo para fora do região de usinagem;
· Dssipar o calor gerado pelas reações químicas e descargas elétricas ocorridas.
Devido a seu baixo custo, boa condutividade elétrica e o fato de ser estável em uma ampla faixa de pH (de 4 a 13), o cloreto de sódio é o eletrólito mais utilizado na usinagem por descarga eletroquímica. Entretanto, este eletrólito apresenta algumas desvantagens, como o fato de ser altamente corrosivo e gerar grandes quantidade de borra durante o processo, além da sua condutividade elétrica variar com a temperatura (McGeough, 1988).
Outro eletrólito muito utilizado é o nitrato de sódio. A grande vantagem do nitrato de sódio é o fato de ser menos corrosivo, sendo porém, muito mais caro que o cloreto de sódio e, em muitos casos, gerar uma camada passivadora na superfície da peça que reduz a
eficiência de passagem de corrente elétrica. Sua ação eletroquímica é menor do que a do cloreto de sódio, entretanto, sua utilização produz superfícies com melhor acabamento. Isso se deve à maior resistividade elétrica que a solução de nitrato de sódio apresenta em relação ao cloreto de sódio para os mesmos valores de concentração.
A concentração do eletrólito é um fator de extrema importância, pois dela depende a eficiência da condução da corrente elétrica do catodo para o anodo. Um eletrólito com concentração maior oferece menor resistência à condução de corrente elétrica, porém, um eletrólito com concentração muito alta pode cristalizar sais fora da solução e como a distância entre a ferrameta e a peça é muito pequena, estes sais podem obstruir o fluxo de eletrólito na área que está sendo usinada.
De acordo com Barr e Oliver (1968), para eletrólitos a base de nitrato de sódio a resistência elétrica diminui com o aumento da concentração até valores de aproximadamente 200 g/dm³. Acima desse valor a resistividade elétrica volta a aumentar.
A diferença de temperatura entre a entrada e a saída do eletrólito na interface peça–ferramenta também é outro importante fator a se considerar. Clark e McGeough (1977) estimam uma diferença de temperatura em torno de 45°C empregando-se parâmetros normais de processo. Para tal variação de temperatura pode ser esperado um decréscimo na resistividade de 10 a 50% para o eletrólito de cloreto de sódio. Essa variação pode afetar o fluxo e pressão do eletrólito e portanto, precauções devem ser tomadas para evitar o aquecimento excessivo do eletrólito, dentre elas a utilização de um sistema de refrigeração.
Segundo Pandey e Shan (1985), um aumento da temperatura do eletrólito pode causar uma redução no valor da tensão para uma mesma densidade de corrente. Além disso, a solubilidade dos produtos da reação também aumenta com a temperatura. O aquecimento do eletrólito depende da velocidade com que o mesmo passa entre a peça e ferramenta, isto é, quanto menor a velocidade do eletrólito, maior será a elevação de temperatura do mesmo.
Velocidades muito baixas de eletrólito podem não retirar os resíduos do processo, causando seu acúmulo entre a peça e a ferrameta, o que pode provocar curto-circuito,
danificando tanto a peça como a ferrameta (Clark e McGeough, 1977), porém velocidades muito elevadas podem gerar cavitação, o que também não é desejável.
2.3.2 Requisitos básicos dos eletrólitos
Estudos da University of Nebraska–Lincoln [7] demonstram que, uma vez que o eletrólito estará permanentemente exposto à diferenças de potencial elétrico e presença de alta corrente durante o processo de usinagem, e ainda, sendo ele o meio no qual irão ocorrer inúmeras reações químicas, é imprescindível que sua composição química não apresente caracterísicas que o levem a também reagir neste meio, ou então, que os produtos das reações químicas oriundas de seus compostos não afetem negativamente o desempenho do processo de usinagem.
Desta forma, existem alguns requisitos básicos que devem ser considerados na escolha do eletrólito:
· Os ânions na solução eletrolítica devem ser capazes de deixar o ânodo dissolver uniformemente em alta velocidade. Estes ânions não devem reagir com o metal anódico, caso contrário podem gerar um filme passivo e
isolante na superfície anódica, cortando a passagem de
corrente.Usualmente, eletrólitos contendo ânions de Cl, SO4, NO3, ClO3 e OH podem ser usados sem a ocorrência de tais problemas.
· Os cátions na solução de eletrólitos não devem depositar-se na superfície do cátodo, de modo que a forma do cátodo permaneça inalterada. Para satisfazer este requisito, eletrólitos alcalinos com cátions metálicos, tais como potássio e sódio, podem ser usados.
· O eletrólito deve ter uma alta condutividade elétrica e baixa viscosidade, para reduzir a perda de energia devido à resistência eletrolítica e geração de
calor e garantir boas condições de fluxo na folga
intereletrodos, visto que este é extremamente pequeno.
· O eletrólito deve ser seguro, não tóxico, e menos erosiva possível para a máquina. Sais neutros são os preferidos.
· O eletrólito deve ser capaz de manter suas características estáveis (estabilidade química), durante o processo de usinagem, e sua condutividade e viscosidade devem ter pequena variação pela exposição á variação de temperatura.
·
O eletrólito deve ser barato e de fácil disponibilidade no mercado.2.4 Aplicações
2.4.1 Palhetas de turbinas
A lâmina de turbina, conforme ilustra a Figura 8, é caracterizada por seu modelo de livre e desenho em 3D e perfis complexos na superfície com tolerâncias apertadas nas bordas. Essas lâminas são usadas em motores aeronáuticos e turbinas a gás.
Figura 8: Palheta de turbina – BARBER NICHOLS [10]
Através da aplicação do processo ECM, este complexo perfil 3D pode ser usinado em menos de 5 minutos, com tolerâncias de alta precisão e superfície de alta qualidade.
2.4.2 Rodas dentadas
Engrenagens ou acoplamentos dentados usados em aplicações como multiplicadores de torque ou com a função de indexação. Este tipo de peças com podem ser usadas em caixas de câmbio ou como pares de acoplamentos cônicos. Um exemplo do uso da usinagem eletroquímica na fabricação de rodas dentadas pode ser verificado na Figura 9.
Figura 9: Roda dentada – BARBER NICHOLS [10]
Com a utilização do processo ECM, estas peças podem ser usinadas por um único eixo com alta repetibilidade em alta velocidade. Uma opção adicional poderia ser, usando um eletrodo de produção para fabricar uma cópia da série A. Com cada cópia A uma nova peça B poderia ser fabricada, resultando em um conjunto perfeito de A + B.
2.4.3 Micro pinos para medicina
Micro pinos com uma proporção elevada entre comprimento e diâmetro podem ser fabricados em placas com densidades de 4000 pinos/cm². Esses pinos têm um diâmetro de 60-70 μm e uma altura de mais de 500 μm. Esta combinação de densidade e
relação comprimento / diâmetro torna estes componentes difíceis ou impossíveis de serem usinados por outras técnicas.
A Figura 10 ilustra a disposição dos pequenos pinos usinados poel usinagem eletroquímica.
Figura 10: Micro pinos para medicina – BARBER NICHOLS [10]
2.4.4 Hélices de bombas
A peça apresentada na Figura 11 é um difusor com uma geometria interna bastante complexa. Esses tipos de tubos são usados para diferentes aplicações na indústria, como bombas e motores, e seu perfil complexo inviabiliza a usinagem por processos convencionais, tanto pela complexidade do perfil quanto pela presença de áreas inacessíveis à ferramentas de corte.
2.4.5 Rotores de turbinas
Com a aplicação do processo de usinagem eletroquímica, todas as palhetas da rodas de turbinas podem ser usinadas em uma única etapa. Todas as palhetas ficarão posicionadas muito precisamente uma vez que estas posições são fixas dentro do eletrodo.
Figura 12: Rodas de turbinas – BARBER NICHOLS [10]
2.4.6 Anéis difusores
Estes componentes são utilizados como turbocompressores em carros e caminhões. Seus anéis podem variar de diâmetros de 20mm até 300mm. As palhetas são caracterizadas por suas tolerâncias apertadas de forma e posição.
3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
3.1 Recursos requeridos
Para a aplicação prática dos métodos de usinagem eletroquímica não é necessária essencialmente a utilização de uma máquina específica para este fim, pode-se montar uma célula eletrolítica que reproduza as características essenciais da máquina, na qual os experimentos sejam executados.
Os recursos requeridos são basicamente aqueles apresentados no item 2.2, a saber:
· Estrutura com sistema de avanço em um eixo Z;
· Fonte de alimentação capaz de fornecer altas taxas de corrente elétrica;
· Sistema de abastecimento de eletrólito;
· Cuba ou tanque de trabalho, de material não condutor;
A indisponibilidade de maquinário e mão-de-obra das oficinas de usinagem do Campus Panambi, aliadas ao pouco tempo disponível para a realização das atividades, inviabilizou a construção do protótipo da máquina de usinagem em tempo hábil para que pudesse ser utilizado na usinagem dos corpos de prova preparados, sendo necessária a utilização de uma solução alternativa.
Para a função de corpo da máquina e sistema de avanço do eletrodo, foi utilizada a estrutura de um centro de usinagem marca DYNA, modelo DM 2016 (mostrado na Figura 14), do laboratório de fabricação assistida do campus Panambi.
Sobre a mesa deste centro de usinagem foram montados os demais equipamentos necessários para a realização dos experimentos e o sistema de avanço utilizado foi o próprio sistema de movimentação da máquina.
Figura 14: Centro de usinagem DYNA 2016 – PRÓPRIO AUTOR
A fonte de energia, por sua vez, é um dos principais elementos requeridos para o funcionamento do sistema pois, segundo Faraday, a massa da substância eletrolisada em qualquer dos elementos do sistema é diretamente proporcional à quantidade de carga elétrica que atravessa a solução, ou seja, quanto maior for a corrente elétrica que atravessa entre os corpos, maior será a taxa de remoção de material (ou de reações químicas) resultante entre eles.
A revisão bibliográfica realizada indica experimentos e rotinas industriais de trabalho submetidas a correntes de até 40.000 A, necesárias para que se consigam alcançar taxas de usinagem de até 15mm³/min. No entanto, considerando o fato de que os procedimentos de usinagem a serem realizados neste trabalho objetivam basicamente a validação do processo de usinagem eletroquímica e a verificação dos resultados obtidos a partir da alteração de parâmetros controlados do processo, definiu-se pela utilização de uma fonte de energia de menor potência.
A fonte utilizada foi uma fonte marca DAWER modelo FCC 3005 D, com capacidade de fornecimento de corrente de até 5 A e tensão de 30 V, com limitadores de segurança para ambas as variáveis e marcador digital com a leitura das condições de trabalho em tempo real, conforme mostra a Figura 15.
Figura 15: Fonte de potência DAWER FCC 3005 D – PRÓPRIO AUTOR
Para completar o circuito elétrico, permitindo a passagem de corrente entre cátodo e ânodo, foi utilizada uma solução de NaCl com concentração média de 10% do sal. A concentracão é dita média em razão de, ao passo em que a usinagem vai ocorrendo, as moléculas de NaCl e H2O vão se decompondo e consequentemente a concentração do eletrólito se altera.
O NaCl foi escolhido dentre as demais opções de sais devido a seu baixo custo e boa condutividade elétrica, além do fato de ser uma solução de simples fabricação e manuseio. A bibliografia diz que a região de usinagem deve ser abastecida com um fluxo de eletrólito de aprox. 20 dm³/min. para cada 100 A de corrente, para que a região de usinagem esteja suficientemente abastecida de elementos para a reação química e para que o eletrólito tenha vazão suficiente para limpar a região de usinagem.
Para os testes aqui realizados, o sistema de abastecimento de eletrólito foi efetuado manualmente, visto que as taxas de remoção de material seriam bastante baixas e não se justificava um maior investimento em um sistema de abastecimento de limpeza específico.
A cuba utilizada para base da célula eletrolítica foi construída em vidro liso transparente, com volume de 3,375dm³ e com a parte superior aberta. O vidro foi
escolhido como material base por ser um elemento inerte e resistente, e não exerceria influências negativas sobre as reações químicas ou correntes elétricas que abundam o sistema.
Os eletrodos utilizados foram construídos em cobre (exceto o eletrodo utilizado para a usinagem do CP2, constituído de uma liga metálica não identificada) e com dimensoôes e perfis variados, sendo um modelo utilizado em cada corpo de prova. O material cobre foi escolhido para fabricação dos eletrodos em virtude de sua ótima condutibilidade elétrica e facilidade de aquisição no mercado.
Também em virtude desta boa condutibilidade elétrica, todos os eletrodos foram isolados nas regiões onde entrariam em contato com a pinça de fixação do cabeçote da máquina, para evitar fuga de corrente ou descargas elétricas na ocasião de uma inversão de polaridade.
A figura 16 mostra o eletrodo usado na usinagem do primeiro porpo de prova.
Figura 16: Eletrodo utilizado no CP1 – PRÓPRIO AUTOR
Posteriormente, para a usinagem dos corpos de proca 02, 03 e 04, foram fabricados outros eletrodos de materiais e formatos diferentes, de acordo com as necessidades que o processo apresentou. As dimensões e especificidades destes eletrodos estão descritas nas seções dos respectivos corpos de prova.
A montagem da célula eletrolítica onde ocorreram os ensaios de usinagem pode ser vista nas Figuras 17 e 18, com a indicação dos materiais e equipamentos utilizados.
Figura 17: Montagem do equipamento de usinagem – PRÓPRIO AUTOR
Figura 18: Célula eletrolítica – PRÓPRIO AUTOR Cabeçote de avanço do eletrodo Eletrodo Fonte Cuba Cabos de força Sucção do eletrólito Corpo de prova Fixação do corpo de prova
3.2 Corpos de prova
Os corpos de prova foram fabricados de material Aço VC-131 temperados a uma dureza média de 60 HRc. Foram utilizadas 04 amostras de diâmetro 25X15mm, que posteriormente foram usinadas pelo processo eletroquímico com diferentes condições de trabalho, conforme mostrado na Figura 19.
Figura 19: Corpos de prova para usinagem – PRÓPRIO AUTOR
Os corpos de de prova foram numerados de 01 a 04 e seus pesos foram medidos para permitir o posterior cálculo da taxa de remoção de material pela diferença da massa antes e depois do processo de usinagem, de acordo com o tempo empregado.
Para a pesagem dos corpos de prova foi utilizada uma balança de precisão marca DENVER, modelo M220, com resolução de 0,0001g, tendo sido efetuadas quatro medições para cada um dos corpos de prova, fazendo-se a média das tomadas obtidas para cada corpo de prova.
Na tabela 01 podem ser verificados os valores obtidos na pesagem pré-usinagem dos corpos de prova.
Tabela 1: Pesagem dos CPs antes da usinagem – PRÓPRIO AUTOR
C.P. 01 02 03 04
Peso (g) 35.5929 33.3054 35.5957 35.7916
3.2.1 O aço VC-131
A Villares Metals [12] classifica o Aço VC-131 como um aço ferramenta para trabalho a frio, com uma composição química com os elementos C = 2,10 %; Cr = 11,5%; W = 0,7%; V = 0,15% e com propriedades mecânicas mais relevantes sendo a alta estabilidade dimensional e excelente resistência ao desgaste, especialmente em condições abrasivas.
Ele é usualmente aplicado na indústria de metalmecânica na fabricação de matrizes de corte para corte de chapas de aço de até 4mm de espessura, para estampas de corte de precisão na indústria de cartonagem e relojoaria, placas de revestimento de moldes para tijolos e ladrilhos, ferramenta para prensagem de pós metálicos e materiais altamente abrasivos, guias para máquinas operatrizes, réguas para retificadoras, peças de desgaste de cálibres, micômetros e ferramentas em geral.
3.3 Procedimentos
Inicialmente foram definidos quais seriam os parâmetros a serem alterados durante a usinagem para a cada corpo de prova. Foram observados os parâmetros citados pela bibliografia como sendo os principais atuadores no processo e que exercem maior influência sobre a peça usinada. Tais parâmetros de análise foram definidos em:
a) Altura da folga entre peça e eletrodo (mm) b) Intensidade da corrente (A)
A velocidade de avanço do eletrodo também é um importante parâmetro a ser controlado, pois está diretamente ligada ao tamanho da folga uma vez que, à medida que o material vai sendo removido o fundo da cavidade usinada afasta-se da face do eletrodo.
3.3.1 Controle da altura da folga
Segundo a descrição das bibliografias consultadas, o controle da altura da folga, aliado a outros fatores, está diretamente ligado à densidade da corrente e à precisão da usinagem efetuada, pois uma menor distância entre as faces que sofrerão as reações iônicas permite que elas se dêem em regiôes mais controladas da peça, ou seja, evita que comecem a ocorrer reações químicas e consequente remoção de material em outras áreas expostas da peça ou do eletrodo.
Pelo fato de não haver um sistema especificamente desenvolvido para o controle do avanço do eletrodo, o controle automatizado da folga foi inviabilizado. Cogitou-se a possibilidade de fazer uma programação de avanço contínuo do eletrodo, porém por não ter-se uma estimativa confiável da taxa de remoção de material (a não ser pela taxa de remoção calculada pela fórmula, que é bem pouco aplicável na prática) este avanço contínuo dificilmente estaria regulado em uma velocidade adequada, podendo causar choques entre eletrodo e peça ou aumento demasiado da folga.
Em virtude destas dificuldades, optou-se pelo controle manual da altura do da folga, definido pela observação de um princípio bastante simples: Se a tensão (Volts) é a diferença de potencial entre dois corpos, e a corrente (Amperes) é o fluxo ordenado de elétrons que passa entre estes dois corpos, uma vez que estes dois corpos estejam em contato direto a tensão tende a se anular, pois o potencial dos corpos tende a entrar em equilíbrio.
Desta forma, cada vez que o eletrodo toca a peça (FOLGA = 0,00 mm) a tensão medida no multímetro será de 0 V. Assim pode-se, periodicamente, para o controle da folga, avançar o eletrodo até tocar o fundo da cavidade (quando a tensão será 0 V) e retrocedê-lo até a altura desejada.
3.3.2 Corpo de prova 1
Na usinagem do Corpo de prova 1 (CP1) a fonte foi regulada com o limitador de corrente em 5A e tensão em 12V. O eletrodo foi posicionado lateralmente próximo ao CP1, já previamente fixado, respeitando-se uma folga de 0,1mm.
Esta posição do eletrodo foi escolhida em função da facilidade de remoção dos óxidos gerados na usinagem pela ação da gravidade, já que não foi utilizado sistema de remoção de cavaco ou fluxo de eletrólito. A disposição do eletrodo pode ser vista na Figura 21.
Figura 21: Aproximação lateral do eletrodo – PRÓPRIO AUTOR
O “acionamento” da usinagem dá em função da ligação da fonte, que, fornecendo corrente ao eletrodo (pólo negativo) e à peça de trabalho (pólo positivo), permite a reação química entre os elementos. Na usinagem do CP1, apesar da fonte estar limitada em 5A, a corrente não alcançou este índice, ficando limitada a uma média de trabalho de 3,95A, permanecendo nesta faixa mesmo que a fonte dispusesse de maior corrente.
A ligar a fonte, já com o eletrodo posicionado e ambos, peça e eletrodo, imersos no eletrólito, imediamentete percebe-se o início da remoção de material pela reação química, pois a solução salina em torno do eletrodo começa tomar uma coloração alaranjada, em
função da oxidação das moléculas de ferro, e são vistas bolhas de gás borbulhado em torno do eletrodo.
Este gás é o hidrogênio resultante da reação química, que escapa para o ambiente. Deve ser observada com bastante cuidado esta geração de hidrogênio com liberação direta ao ambiente de trabalho, pois quando ela se dá em níveis mais elevados pode haver risco de explosão, dadas as características inflamáveis do gás.
Quando esta emissão de gás ocorre em níveis mais elevados, a máquina deve conter um sistema de exaustão que retire o gás do ambiente de trabalho e o direcione para um local seguro. Nas experiências relatadas neste trabalho esta não foi uma particularidade relevante, pois os níveis de gás emitidos foram desprezíveis.
Na Figura 22 as setas indicam o Hidrogênio sendo liberado pela reação de usinagem no CP1 e a alteração na coloração da solução salina.
Figura 22: Usinagem do CP1 – PRÓPRIO AUTOR
Após 3 horas de usinagem ininterrupta e sem filtração ou reposição do eletrólito, a solução encontrava-se já totalmente saturada de partículas de ferro oxidadas, como pode
ser visto na Figura 23, de tal forma que toda a solução entrou em curto circuito e as reações químicas já não ocorriam, parando a usinagem.
Figura 23: Eletrólito saturado de óxido – PRÓPRIO AUTOR
Após a remoção de parte do eletrólito da cuba, e deixado por algumas horas em descanso, as partículas de ferro que estavam dissolvidas no sal decantaram no fundo do recipiente no qual estavam armazenadas, evidenciando a massa metálica que foi removida do CP1, conforme mostrado na Figura 24.
O CP1, por sua vez, ficou com seu formato totalmente desfigurado em função da remoção de material que se deu em toda a região que estava mais próxima do eletrodo, o que pode ser observado na Figura 25. Isto ocorre em função de que as trocas iônicas entre cátodo e ânodo ocorrem nos pontos que apresentam menor resistência elétrica. À medida que o material é removido de uma região da peça, os pontos circuncidantes a este logo tornam-se o ponto mais próximo.
Figura 25: CP1 após usinagem – PRÓPRIO AUTOR
3.3.3 Corpo de prova 2
Para a usinagem do CP2 foram realizadas algumas alterações, em funçaõ dos resultados obtidos na usinagem do CP1. A primeira alteração efetuada foi quanto à limpeza e reabastecimento do eletrólito, com vistas a melhorar a eficiência da usinagem e evitar saturação do eletrólito. Para tal fim, foi realizado um processo contínuo de filtração e reabastecimento manual do volume de eletrólito na célula, procedimento este que foi seguido em todos os demais testes de usinagem.
Outra alteração efetuada na usinagem do CP2 foi o formato do eletrodo. A bibliografia define que um dos principais parâmetros da usinagem eletroquímica é a densdidade da corrente, ou seja, o quanto de corrente passa por mm² de área da peça de trabalho, pois quanto maior for o fluxo de corrente por área, maior será a taxa de remoção de material naquele ponto.
Em função disto, o eletrodo utilizado na usinagem do CP2 foi construído com diâmetro de 2mm e sua aproximação em relação à peça foi axial, e não radial como no CP1, caracterizando um processo de furação eletroquímica. Desta forma, mantendo-se uma corrente de 3A, seria possível manter uma densidade de corrente de 1,6 A/mm², valor dentro daqueles indicados pela bibliografia (0,1 a 5A/mm²).
Uma terceira alteração efetuada foi quanto à reposição de eletrólito na célula de trabalho, que aprtir desta segunda tomada de usinagem passou a ser realizado através de um tubo de alimentação cujo fluxo avança diretamente sobre a região de usinagem, objetivando repôr os elementos químicos consumidos na reação e remover as partículas de ferro oriundas da peça.
A Figura 26 demonstra a nova disposição dos elementos principais da usinagem, eletrodo e adição de eletrólito.
Figura 26: Usinagem do CP2 – PRÓPRIO AUTOR
O CP2 foi mantido em regime de usinagem durante 2 horas ininterruptas, com constante reposição de eletrólito e manutenção da folga em 0,3mm, procedimentos estes que se mostraram bastante relevantes na qualidade final da usinagem realizada.
Os resultados obtidos na furação do CP2 podem ser verificados na Figura 27, onde a seta indica a cavidade usinada.
Figura 27: CP2 após usinagem com seta indicativa no ponto de ataque do eletrodo– PRÓPRIO AUTOR
Um fato bastante importante observado durante a usinagem do CP2 foi que, independentemente da limitação ou não da corrente por parte da fonte, esta corrente nunca ultrapassou 1,3A durante todo o processo de usinagem, mantendo uma média de 1,05A.
3.3.4 Corpo de prova 3
Verificado o baixo fluxo de corrente consumida no processo de usinagem do CP2, por ser composto de uma liga metálica desconhecida, para a usinagem do CP3 foi construído um novo eletrodo de cobre eletrolítico, eliminando desta forma a possibilidade maior resistência à passagem da corrente.
Este novo eletrodo de cobre foi fabricado com corpo de diâmetro 3,5mm e a ponta diminuída para diâmetro 1mm, para aumentar a densidade da corrente, que, caso a corrente pudesse ser mantida em 3A, chegaria a 3,82 A/mm².
As demais condições de trabalho foram mantidas iguais às utilizadas na usinagem do CP2, como a disposição de eletrodo e refrigeração, como mostra a Figura 28, obtida durante o processo de usinagem do CP3.
Figura 28: Usinagem do CP3 – PRÓPRIO AUTOR
A utilização do eletrodo de cobre, aumentou o fluxo de corrente na célula de usinagem, apesar da diminuição da área do eletroda para 0,785 mm², mantendo-se o fluxo de corrente consumida em 2,4A, chegando fluxos instantêneos de 2,7A.
O processo de usinagem se estendeu por 2 horas ininterruptas, e os resultados obtidos foram bem mais satisfatórios que os encontrados nos CPs 1 e 2, com uma taxa de remoção maior e uma profundidade de avanço do eletrodo em direção ao centro da peça (profundidade da furação) de aproximadamente 4mm, como pode ser observado na Figura 29.
3.3.5 Corpo de Prova 4
Apesar da a utilização do eletrodo de cobre para a usinagem do CP3, e deste ter trazido uma melhora significativa no fluxo de corrente (que reflete diretamente na quantidade de material removido), mesmo assim a corrente se limitou a uma média de 2,2A, o que motivou a utilização de novos parâmetros de usinagem para o CP4, bem como algumas alterações de procedimentos.
A primeira alteração efetuada foi a improvisação de um sistema de abastecimento de eletrólito com maior vazão, o que auxiliaria na reposição mais rápida dos elementos químicos consumidos na reação e na remoção mais eficaz das partículas de ferro oriundas da peça. Para montagem do sistema, um reservatório de 20dm³ de eletrólito foi elevado a uma altura de 1,5m acima do nível da célula, enquanto uma mangueira de diâmetro 8mm fornecia uma vazão de 2,8dm³/min à região de usinagem.
No reservatório de eletrólito foi desenvolvido um sistema de agitação pneumática para evitar a decantação do sal, o que diminuiria a concentração salina da solução, e reposição do eletrólito fornecido à célula foi realizada manualmente.
Figura 30: Nova montagem da célula de usinagem – PRÓPRIO AUTOR Mangueira
para agitação do eletrólito
Reservatório do eletrólito
Além destas, ilustradas na Figura 30, outra alteração efetuada foi quanto à tensão fornecida pela fonte, que passou de 12 para 24V. Estas alterações se mostraram eficazes na usinagem do CP4, pois a corrente manteve uma média de 2,8A com picos de até 3,2A, e os resultados obtidos após 1 hora e 45 minutos de usinagem foram bastante satisfatórios, como pode ser visto na Figura 31.
Figura 31: CP4 após usinagem – PRÓPRIO AUTOR
A profundidade do furo usinado foi de 7,7mm e o acabamento lateral deste ficou muito melhor que os demais, apesar de ainda muito longe de um padrão satisfatório.
4. RESULTADOS
A realização dos ensaios práticos de usinagem permitiu que se comprovasse a aplicabilidade do princípio de funcionamento e eficácia do processo, por vezes posta como dúvidosa quando analisada apenas teoricamente.
Os testes realizados comprovaram a funcionalidade do método e a possibilidade de usinagem de materiais de extrema dureza com a utilização de ferramemtal de propriedades mecânicas muito inferiores, com um baixo custo de processamento.
4.1 Taxa de remoção de material
Primeiramente, após terem sido concluídas todas as etapas de usinagem dos quatro corpos de prova, os mesmos foram novamente pesados para a verificação da massa de material removida de cada um.
Os resultados das pesagens dos corpos de prova podem ser vistos na Tabela 2, em comparação com as massa originais, antes da usinagem.
Tabela 2: pesagem dos CPs após usinagem – PRÓPRIO AUTOR
C.P. 01 02 03 04 Peso inicial (g) 35.5929 33.3054 35.5957 35.7916 Peso final (g) 32.5338 32.0900 33.2197 31.5002 Remoção (g) 3.0591 1.2154 2.3760 4.2914
Para a análise da taxa de remoção de material foi utilizada a equação proposta por Kharagpur (2006), que relaciona a massa removida pelo tempo de usinagem:
= ( . ) [ / ] (10)
Onde:
TRM : Taxa de remoção de material Mau: Massa do CP antes da usinagem
Mdu: Massa do CP depois da usinagem
: Massa específica do material Para o aço, = 0,007850 / ³ Tu: Tempo de usinagem
A Tabela 3, listada a seguir, mostra os resultados da taxa de remoção de material para cada corpo de prova.
Tabela 3: Taxa de remoção de material obtida nos ensaios – PRÓPRIO AUTOR
C.P. 01 02 03 04
TRM
(mm³/min) 2,164 1,290 2,522 5,206
No gráfico da Figura 32 fica evidente a melhora na taxa de remoção de material dos corpos de prova pelas alterações que foram efetuadas no decorrer dos ensaios, desconsiderando o ensaio realizado com o Corpo de prova 1, que destoou das demais, pois a operação não foi de furação eletroquímica, e sim de simples desbaste.
Figura 32: Gráfico comparativo das taxas de remoção de material – PRÓPRIO AUTOR 0,0000 0,0100 0,0200 0,0300 0,0400 0,0500 0,0600 CP1 CP2 CP3 CP4
Taxa de Remoção de Material mm³/min
5. CONCLUSÕES
5.1 Observações e inferências
Com a pesquisa e posterior execução dos experimentos práticos pode-se confirmar a aplicabilidade e a relevância da utilização do processo de usinagem eletroquímica para a usinagem de materias de alta dureza, evidenciando-se um novo e ainda pouco conhecido campo de trabalho, porém com ótimas perspectivas de avanço.
Após a realização dos ensaios práticos, e pela observação das variáveis do processo e das características de usinagem que suas alterações incorriam, pode-se verificar algumas características importantes sobre o processo de usinagem eletroquímica, algumas delas já conhecidas e relatadas na bibliografia, mas muitas não abordadas nas literaturas específicas sobre o tema.
Verificou-se primeiramente, e logo que o processo de usinagem do primeiro Corpo de prova foi iniciado, que a manutenção das condições ideias de limpeza do eletrólito são fundamentais para a obtenção de bons resultados na usinagem. Ocorre que, quando a usinagem é iniciada, o metal oxidado, juntamente com os demais elementos gerados na reação química começam a inundar a região de usinagem, e logo contaminam todo o volume de eletrólito.
Isto afeta a eficiência do processo, uma vez que as partículas de aço dissolvidas na solução começam a interferir na corrente entre eletrodo e peça, limitando as reações químicas responsáveis pela remoção de material.
Outra observação que diz respeito ao “cavaco” gerado é referente à sua remoção da região de usinagem. Observou-se durante os ensaios uma significativa melhora na continuidade e intensidade da corrente elétrica quando um fluxo de eletrólito era posto sobre a região de usinagem, justamente pela maior capacidade de remoção das partículas dissociadas de ferro.
Contudo, a turbulência gerada na solução pela ação do fluxo de eletrólito não é desejada, pois ela acaba por movimentar em demasia todo o volume da solução, trazendo
as partículas já afastadas de ferro de volta para a região de usinagem. Em função desta dificuldade, percebe-se como mais adequado o sistema de limpeza em que o próprio eletrodo, através de uma cavidade interna, faz a sucção do eletrólito contaminado pelo ferro dissociado, levando-o à um sistema de filtros e posteriormente devolvendo este eletrólito à célula, por um outro canal.
Não só a manutenção do eletrólito em bons níveis de pureza, ou seja, eliminação de partículas livres de ferro, é importante, mas também deve-se manter uma concentração iônica adequada na solução, pois observou-se semelhantemente em todos os ensaios realizados que, à medida que a usinagem se desenvolvia, a corrente elétrica consumida diminuia lentamente, sem que hovesse nenhuma alteração externa dos parâmetros de usinagem.
Ao adicionar na região de usinagem um volume de eletrólito novo (limpo e com concentração adequada), percebia-se um aumento imediato na corrente elétrica consumida, e consequente aumento na taxa de remoção de material. Atribui-se isto à necessidade de disponibilidade do sal em abundância na região de usinagem para que as reações químicas possam ocorrer, pois as reações químicas estão sempre condicionadas à presença de todos os elementos necessários para que ocorram.
À medida que a usinagem se desenvolve, o sal dissolvido na água é dissociado e decantado no fundo da cuba na forma de NaOH e FeCl2. A água da solução também é
dissociada na reação, porém, como a concentração de sal utilizada é de 10%, em algum tempo este percentual começa a diminuir e a velocidade da ocorrência das reações químicas começa a ser afetada.
Uma questão também bastante relevante com relação à aplicação deste processo é o alto risco de oxidação a que a máquina e seus componentes estarão sujeitos, pois o meio de trabalho (eletrólito) é extremamente corrosivo, e caso não sejam tomadas adequadas precauções com isolações e limpeza da máquina, fatalmente haverão componentes afetados pela ação corrosivas.
Esta situação foi verificada no decorrer dos experimentos realizados, onde a não aplicação de métodos de precaução e limpeza suficientemente adequados da máquina
ocasionaram na oxidação generalizada dos componentes externos mais próximos da célula eletrolítica.
5.2 Sugestões para trabalhos futuros
Para a contiuidade dos estudos relacionados ao processo de usinagem eletroquímica, sugere-se que sejam realizadas alterações no sistema de abastecimento e remoção do eletrólito, pelos motivos já relatados na seção anterior.
Torna-se mais efetivo o sistema se o eletólito contaminado for removido, por sucção, por um furo feito no corpo do eletrodo, aliado à alimentação constante da célula eletrolítica com eletrólito limpo e em concentração controlada. Esta sucção de eletrólito pelo centro do corpo do eletrodo evita que as impurezas geradas no processo se mantenham no entorno da região de usinagem.
Ainda, para aumentar a velocidade da ocorrência das reações, é pertinete que a sução exercida pela cavidade do eletrodo seja tal que tenha capacidade de formar um forte fluxo de eletrólito na região de usinagem, alimentando-a sempre em abundância com eletrólito limpo e em concentração adequada.
Outro fator a ser considerado para continuidade das análises do processo eletroquímico é o estudo mais aprofundado dos tipos de eletrólitos mais adequados à usinagem de cada material em específico. Esta, diferentemente das alterações já sugeridas, está mais voltada para os fenômenos puramente químicos do processo e diz respeito à verificação da velocidade da reação química em si, ou seja, qual o tempo mínimo necessário para que um íon dissociado de Cl reaja com um átomo de Fe para formar uma molécula de FeCl2, por exemplo.
Presume-se que todas as reações que permanetemente estão ocorrendo dentro da célula eletrolítica tenham um tempo mínimo e particular necessário para que se completem, sendo assim, este seria o limitador de velocidade do processo de usinagem, ou seja, o ponto onde não é mais possível aumentar a velocidade de remoção de material em função das características dos elementos que compõem estas reações.
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12. VILLARES METALS. Disponível em:
<http://www.villaresmetals.com.br>Acesso em 28 set. 2011
13. WIKIPEDIA.org. Disponível em:
7. GLOSSÁRIO
Ânodo: Um eletrodo de carga positiva.
Átomo: a menor unidade química da matéria, composta de prótons, nêutrons e elétrons.
Cátodo: Um eletrodo de carga negativa.
ECM: Electro Chemical Machinig (Usinagem eletroquímica)
Eletrodo: Um condutor elétrico sólido através do qual uma corrente elétrica entra ou sai
numa célula eletrolítica.
Elétron: Uma partícula subatômica carregada negativamente com uma massa de 0,00055
unidades de massa atômica (AMU). Por definição, um AMU é um doze avos da massa de um átomo de carbono-12.
Íon: Uma partícula eletricamente carregada.
Ligação covalente: A ligação química que envolve partilha de pares de elétrons.
Ligação iônica: Uma interação eletrostática entre um cátion (+ íon carregado) e um ânion (-
íon carregado).
Molécula: Uma substância pura e estável, formada pela união de dois ou mais átomos.
Oxidação: A perda de elétrons por um composto ou íon.
