Giovani Conrado Carlini
REMOÇÃO DE METAL DURO POR EDM COM ELETRODO DE CuW
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecâ-nica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner
Coorientador: Prof. Dr. Eng. Fred Lacerda Amorim
Florianópolis 2018
Prof. Dr. Eng. Jonny Carlos da Silva Coordenador do POSMEC
Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner – Orientador Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
Prof. Dr. Eng. Fred Lacerda Amorim – Coorientador Pontifícia Universidade Católica do Paraná – PUCPR
Banca Examinadora:
Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner, Orientador Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
Prof. Dr. Eng. Milton Pereira
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
Prof. Dr. Eng. Aurelio da Costa Sabino Netto Instituto Federal de Santa Catarina – IFSC Florianópolis
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner, pela exímia atuação como professor e orientador, com certeza levarei comigo seu exemplo profissional e tentarei replicá-lo em minhas atribuições. Agradeço pela sua colaboração nos conselhos, sugestões, incentivos, autonomia e amizade firmada. Meu agradecimento por acreditar no meu trabalho.
Ao Professor Dr. Eng. Fred Lacerda Amorim, profissional atencioso, sempre participativo no desenvolvimento deste trabalho. Agradeço pela disponibilidade a todo tempo, contribuições e sugestões construtivas. Sua participação foi de fundamental importância para o desenvolvimento deste.
Aos colaboradores desta pesquisa: itinerante, multi-institucinoal, multidisciplinar e multicampi, sem vocês esse trabalho não seria possível. À Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), por oportunizar minha capacitação, estrutura e meios de crescimento intelectual, pessoal e profissional, agradeço a todos os professores que me acompanharam nessa jornada. Agradeço aos colegas formados e principalmente ao amigo doutorando Vando Ferreira Lopes, sempre cordial, prestativo e companheiro nos momentos de auxílio.
À Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR), pela disponibilidade aos equipamentos para caracterização dos resultados. Em especial ao auxílio da mestranda Jessica Turola e doutoranda Tuany Neves.
À Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC) pela disponibilidade de recursos, principalmente, agradecer ao mestrando Rhafael Beppler, doutorandos Aline Morais, Kamila Kasmierczak e Alexandre Galiotto.
Ao Centro Universitário de Brusque (UNIFEBE) e ao Centro de Tecnologia e Inovação em Fabricação (CTIF), por disponibilizar a infraestrutura para a realização de medições topográficas, agradeço em nome do Professor Dr. Eng. Denis Boing.
À Universidade Federal do Paraná (UFPR), agradeço ao Professor livre docente Vsévolod Mymrine, Ph.D., à Mª Andreia Pichorim e ao Bruno no auxilio e caracterização de materiais nas fases iniciais e finais deste trabalho.
Ao Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) Campus Rau, por me oportunizar o incentivo à qualificação e auxílio financeiro parcial
através do edital de pesquisa 02/2017/PROPPI, pela disponibilidade do uso da EDM e demais recursos utilizados.
Ao IFSC Campus Florianópolis, pela disponibilidade da MMC e do medidor de circularidade e cilindricidade, agradeço em especial pelo auxílio do amigo e Professor M. Gabriel Costa Souza, cuja colaboração foi de fundamental importância para os resultados dimensionais e geométricos.
À empresa STR Ferramentaria, pelo apoio e colaboração mútua na troca de experiencias para um objetivo maior. Agradecer principalmente ao meu grande irmão Gabriel Bonin, ao Jair Sperandio, Edmilson e Evandro, sempre atenciosos e prestativos nas necessidades.
Aos colegas do IFSC que não mediram esforços em auxiliar na contribuição deste trabalho com ideias, auxílios, considerações e companheirismo no desenvolver das atividades, destacando os técnicos Adriano, Gustavo e Marcelo e os Professores M. Eng. Cassiano Moura, M. Eng. Cristiano da Silva, M. Eng. Delcio L. Demarchi, Dr. Eng. Gerson Ulbricht, Dr. Eng. Gil Magno, Dr. Eng. Jean Pimenta, Dr. Eng. Joel Stryhaski et al., além, das colaborações de Hector Di Maiochi e Eduardo Fodi.
Agradeço à minha família e amigos que foram compreensivos e afetuosos durante o desenvolvimento desta dissertação.
Nothing is too wonderful to be true if it be consistent with the laws of nature. (Michael Faraday)
RESUMO
O metal duro é um material compósito formado por WC-Co, cujas principais características são a elevada dureza, resistência a compressão e resistência térmica, fatores que o evidenciam como material para fabricação de componentes em diversos setores industriais. Entretanto, este material apresenta uma dificuldade elevada para a fabricação e, geralmente, se empregam os processos de geometria não-definida ou processos por remoção, ou ainda, a combinação de ambos para manufatura em componentes de metal duro. Neste contexto, foi observada uma dificuldade de fabricação no setor industrial e desenvolvida uma pesquisa objetivando uma melhoria da qualidade final de um componente de metal duro, fabricado pelo processo de remoção por Eletrical Discharge Machining (EDM). Foram analisadas as condições de remoção atual do processo e realizadas investigações na literatura para otimização na remoção. Posteriormente, definiu-se novos parâmetros de entrada e utilização de eletrodos em Cobre-Tungstênio (CuW) em duas ligas: 65% e 85% de W, denominados CuW65 e CuW85. Foi desenvolvida uma metodologia experimental para evidenciar os danos inerentes à remoção térmica com amostra bipartida, contudo, se fizeram necessários a fabricação de dispositivos para fixação e gabaritos para a realização dos ensaios. Foram denominadas a condição atual e condições utilizando CuW65 e CuW85, respectivamente, de X, Y e Z. Para caracterização das remoções, quantificou-se para cada condição: a taxa de remoção de material, a taxa de desgaste do eletrodo, o desgaste relativo do processo e verificação da influência do eletrodo na remoção do metal duro. Investigou-se também as características da topografia da superfície através da rugosidade e DRX, a camada da subsuperfície e regiões termicamente afetadas por MEV e EDS. Critérios dimensionais e geométricos de forma foram investigados para cada regime nos diferentes eletrodos através de uma MMC e do medidor de circularidade e cilindricidade. Durante o processo de remoção foi realizado o monitoramento da temperatura do dielétrico. Os resultados de remoção otimizados apresentaram uma diminuição no tempo de remoção pelo aumento na taxa de remoção de material e menor taxa de desgastes na utilizando eletrodos de CuW. Foi realizada uma ANOVA caracterizando a influência em cada eletrodo e respectivo regime. Verificou-se a rugosidade na superfície e a presença de danos logo abaixo sob forma de micro trincas. As condições dimensionais e geométricas mantiveram-se
estatisticamente estáveis nos regimes finais em ambos os materiais para eletrodos.
Palavras-chave: EDM. Remoção de metal duro. Integridade da superfície. Ligas de CuW.
ABSTRACT
Carbides are composite materials formed by WC-Co. Its main features include high values of hardness, compressive strength and thermal resistance, making it ideal for the manufacturing of diverse components in various industrial segments. Nonetheless, the manufacturing process for this material is complicated, and generally requires non-defined geometry or complex removal processes, or even the combination of both. Such difficulty to manufacture carbides has been acknowledged, and a survey to improve the final quality of these components has been conducted with a machining process by Eletrical Discharge Machining (EDM). After analysis of the current process, and further research to improve the machining process, new input parameters were defined and the use of two alloys of Copper-Tungsten (CuW) at 65% and 85% of Tungsten each was also defined and named CuW65 and CuW85 respectively. An experimental methodology with a bipartite sample has been defined to show any damage produced by this thermal removal, and the need to manufacture components to fix the material in place and templates to perform tests properly was also identified. Both, current condition and conditions using CuW65 and CuW85 have been displayed using an X, Y and Z model. Material removal was measured for each one of these conditions: Material removal rate; electrode wear and tear rate; wear and tear produced directly by the process; and measure of the material removal directly produced by the electrode. Topography as a result of rugosity and XRD, underlayers and other areas affected thermally by MEV and EDS were also evaluated. Dimensional and Geometrical criteria were also researched for each scenario using a MMC and a circularity and cylindricity meter. Temperature of the dielectric was also monitored during the process. The optimized process, using CuW electrodes, resulted in a faster material removal rate and a lower rate of wear and tear. An ANOVA analysis was conducted to verify the influence of each electrode and each scenario. Surface rugosity and damage in the shape of micro-chipping was also analyzed. Both dimensional and geometrical conditions remained statistically unchanged during the scenarios and both electrode materials.
Keywords: EDM. Removal process of carbides. Surface integrity. CuW alloy.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Classificação simplificada do processo EDM. Adaptado de [3]. ...25
Figura 2.2 - Fases de uma descarga elétrica [5]. ...26
Figura 2.3 - Seis estágios do processo EDM [18]. ...27
Figura 2.4 - Operações de remoção por descarga elétrica: a) a fio, (b) por imersão e (c) furação. Adaptado de Sommer e Sommer [20]. ...29
Figura 2.5 - Variáveis e apresentação dos parâmetros [5]. ...29
Figura 2.6 - Topografia em superfícies obtidas por diferentes tipos de geradores: o gerador de isoenergético (a), gerador de pulsos RC (b) e gerador ISO current pulse generator [15]. ...32
Figura 2.7 - Condições de aplicação do dielétrico. ...34
Figura 2.8 - Esquemático de um sistema dielétrico. Adaptado de [23] ...34
Figura 2.9 - Diferentes tamanhos de WC em liga: ultrafino (a), submicrométrico (b) e fino (c). Adaptado de [28]. ...37
Figura 2.10 - Tríade das principais propriedades mecânicas em função de tamanho do grão e percentual de cobalto. Adaptado de [37]. ...37
Figura 2.11 - Perfis relativos a textura de superfície. Adaptado de [50]. ...41
Figura 2.12 - Comportamento da rugosidade Ra. (a) em função da corrente de pulso e (b) em função da duração do pulso. Adaptado de [51]. ...42
Figura 2.13 - Micrografia em duas condições: (a) duração do pulso ti de 14 µs e (b) de 5 µs [48] ...43
Figura 3.1 -Diagrama do planejamento experimental. ...45
Figura 3.2 - EDS do WC-Co e distribuição dos componentes. ...47
Figura 3.3 - Sequência da fabricação do componente. ...49
Figura 3.4 - Máquina utilizada no processo X. ...50
Figura 3.5 - Fixação do eletrodo e da peça de trabalho. ...50
Figura 3.6 - Eletrodos utilizado na remoção X: (a) acabamento (b) semiacabamento e (c) redesbaste. ...51
Figura 3.7 - EDM utilizada no desenvolvimento dos experimentos. ...54
Figura 3.8 - Dispositivo utilizado: (a) projeto inicial e (b) finalizado. ...55
Figura 3.9 - Fixações utilizadas nos experimentos. ...56
Figura 3.10 - Gabarito tipo esquadro com presilha. ...56
Figura 3.11 - Sequência na preparação inicial das amostras. ...57
Figura 3.12 - Sequência de preparação das amostras. ...58
Figura 3.13 Dimensões das amostras. ...59
Figura 3.14 - Equipamento para confecção dos eletrodos...59
Figura 3.15 - Dimensões do eletrodo para os experimentos. ...61
Figura 3.16 MMC Cincinnati (a) e método de fixação das peças (b). ...66
Figura 3.17 - Medidor de circularidade e cilindricidade. ...67
Figura 3.18 - Balança analítica AUX220. ...67
Figura 3.19 - MFI Alicona® Infinite focus G5. ...68
Figura 3.20 - Regiões de coleta para rugosidade. ...69
Figura 3.22 - Metodologia da caracterização no MEV. ... 70
Figura 3.23 - XRD Shimadzu®, modelo XRD-7000 utilizado na caracterização das amostras erodidas. ... 71
Figura 3.24 - Diagrama para leitura de temperatura: (a) montagem do microprocessador ligado ao computador, (b) detalhe da coleta de dados e (c) detalhe da montagem de ligação e sensores termissores. ... 72
Figura 4.1 - Tempo de remoção por regime de trabalho. ... 73
Figura 4.2 - Tempos totais por condição. ... 74
Figura 4.3 Comportamento da taxa de remoção para as variáveis de entrada. 75 Figura 4.4 Comportamento da taxa de desgaste para as variáveis de entrada. 77 Figura 4.5 Comportamento do desgaste relativo para as variáveis de entrada. ... 79
Figura 4.6 - Morfologia dos eletrodos e cavidades. ... 81
Figura 4.7 Aspectos gerais da caracterização por MEV e EDS. ... 82
Figura 4.8 - Micrografias obtidas em MEV na amostra processada na condição X: (a) desbaste, (b) semiacabamento e (c) acabamento. ... 83
Figura 4.9 - Micrografias obtidas em MEV na amostra processada na condição Y: (a) desbaste, (b) detalhe de uma protusão no desbaste, (c) semiacabamento e (d) acabamento. ... 84
Figura 4.10 - Micrografias obtidas em MEV na amostra processada na condição Z: (a) desbaste, (b) semiacabamento e (c) acabamento. ... 84
Figura 4.11 - Topografia das superfícies das amostras submetidas ao processo EDM no regime de acabamento. ... 86
Figura 4.12 - Curvas Abbott-Firestone relativas à superfície das amostras fabricadas pelo processo EDM em regime de acabamento para os três materiais de eletrodo empregados. ... 87
Figura 4.13 - Detalhe do corte efetuado na região do dano verificado na superfície da amostra. ... 88
Figura 4.14 - XRD no regime de acabamento para cada eletrodo. ... 89
Figura 4.15 - Resultados dimensionais. ... 90
Figura 4.16 - Relatório geométrico do eletrodo de acabamento em Cobre. ... 92
Figura 4.17 - Cilindricidade nos regimes. ... 93
Figura 4.18 - Circularidade nos regimes. ... 94
Figura 4.19 - Gráfico da correlação entre a taxa de remoção e temperatura. ... 95
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Caracterização química por EDS ...48
Tabela 3.2 - Propriedades físico-químicas do dielétrico na remoção X. ...52
Tabela 3.3 - Parâmetros elétricos de entrada na remoção X. ...53
Tabela 3.4 - Propriedades físico-químicas do dielétrico no experimento. ...60
Tabela 3.5 - Dimensionamento overcut na adequação. ...61
Tabela 3.6 - Dimensionamento dos eletrodos na condição X. ...62
Tabela 3.7 - Resultados otimizados para eletrodos de CuW. ...63
Tabela 3.8 - Dimensionamento dos eletrodos CuW. ...63
Tabela 3.9 - Propriedades físicas do CuW65. ...64
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AgW Prata tungstênio
ANOVA Análise de variância
Au Ouro
APT Ammonium para tungstênio
ASM International the Materials Information Society
CaWO4 Scheelita
CNC Comando Numérico Computadorizado
Co Cobalto
CTIF Centro de Tecnologia e Inovação em Fabricação
Cu Cobre
CuW Cobre Tungstênio
DAT Digital Adjustment Table
DC Corrente contínua
DIN Deutsche Institut für Normung
EDM Eletrical Discharge Machining
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva
et al. E outros
Fe Ferro
FISPQ Ficha de Informação de Segurança de Produto
Químico
IC Intervalo de Confiança
IFSC Instituto Federal de Santa Catarina
JCPDS Joint Comittee on Powder Diffraction Standards
MEV Microscópio Eletrônico de Varredura
MFI Microscópio de Foco Infinito
MMC Máquina de Medição por Coordenadas
Mn Manganês
NASA National Aeronautics and Space Administration
PUCPR Pontifícia Universidade Católica do Paraná
UDESC Universidade do Estado de Santa Catarina
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina
UNIFEBE Centro Universitário de Brusque
UPR Ondulações por Revolução
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná
VDI Verein Deutscher Ingenieure
WC-Co Carboneto de tungstênio com cobalto
WEDM Wire Eletrical Discharge Machining
XRD Difração de raios X
2D Duas Dimensões
LISTA DE SÍMBOLOS Alfabeto latino minúsculas:
ap [mm] Profundidade de corte
ûi [V] Tensão em aberto
e [V] Tensão média da descarga
td [µs] Tempo de retardo de ignição
ti [µs] Duração do pulso de tensão
to [µs] Tempo de intervalo entre dois sucessivos
pulsos de tensão
tp [µs] Tempo do período do ciclo de uma descarga
îe [A] Corrente máxima durante a descarga
e [A] Corrente média durante a descarga
Alfabeto latino maiúsculas:
Ve [mm³/min] Taxa de desgaste do eletrodo-ferramenta
Vw [mm³/min] Taxa de remoção de material na peça
U [V] Tensão média de trabalho
Ra [µm] Rugosidade aritmética
RC Circuito resistor-capacitor
Sa [µm] Média aritmética do perfil de rugosidade
Sq [µm] Raiz quadrada da avaliação de perfil de
rugosidade
Sk [µm] Rugosidade do núcleo do perfil 3D
Smr2 [%] Distribuição do maior componente do
núcleo na superfície de contato
Alfabeto grego:
Fator de serviço
[%] Desgaste volumétrico relativo entre o
eletrodo-ferramenta e peça de trabalho [º]
[g/mm³] Massa específica ou densidade
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 23
1.1 Apresentação do problema ... 23
1.2 Objetivos ... 24
2 ESTADO DA ARTE... 25
2.1 Processo de fabricação por EDM ... 25
2.1.1 Operações em EDM ... 28
2.1.2 Parâmetros de controle do processo ... 29
2.1.3 Geradores de pulso ... 32
2.1.4 Meio dielétrico ... 33
2.2 Ligas de metal duro ... 35
2.3 EDM de ligas WC-Co ... 38
2.4 Considerações sobre otimização nos parâmetros de entrada na remoção ... 39
2.5 Análise de superfícies usinadas ... 40
2.5.1 Textura da superfície ... 40
2.5.2 Integridade da superfície ... 42
3 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL ... 45
3.1 Metodologia ... 46
3.2 Caracterização do WC-Co ... 47
3.3 Processo de remoção na condição X ... 48
3.3.1 Descrição da fabricação ... 48
3.3.2 Equipamento e sistemas de fixação ... 49
3.3.3 Eletrodos utilizados ... 51
3.3.4 Dielétrico e aplicação ... 52
3.3.5 Parâmetros do processo ... 52
3.4 Procedimento experimental ... 53
3.4.1 Equipamento e sistemas de fixação ... 53
3.4.2 Preparação das amostras ... 56
3.4.3 Confecção dos eletrodos-ferramenta ... 59
3.4.4 Dielétrico e aplicação ... 60
3.4.5 Condição X ... 61
3.4.6 Caracterização para condição otimizada ... 62
3.4.7 Condição Y ... 64
3.4.8 Condição Z ... 64
3.5 Avaliação dos experimentos ... 65
3.5.1 Verificação dimensional e geométrica ... 65
3.5.2 Avaliação das taxas de desgastes e remoção ... 67
3.5.4 Integridade da superfície ... 69 3.5.5 Difração de raio X ... 70 3.5.6 Monitoramento da temperatura na EDM ... 71 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 73 4.1 Caracterização das remoções ... 73 4.1.1 Tempos nas remoções ... 73 4.1.2 Taxa de remoção de material [Vw] ... 75
4.1.3 Taxa de desgaste do eletrodo [Ve]... 77
4.1.4 ... 78
4.2 Integridade da superfície ... 80 4.2.1 Avaliação topográfica ... 80 4.2.2 Análise da subsuperfície ... 82 4.2.3 Análise da topografia da superfície ... 86 4.3 Caracterização dimensional e geométrica ... 90 4.3.1 Resultados dimensionais ... 90 4.3.2 Resultados geométricos ... 91
4.4 Monitoramento da temperatura durante a remoção ... 95
5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ... 97
5.1 Conclusões ... 97 5.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 99 REFERÊNCIAS ...101 APÊNDICE A ...108 APÊNDICE B ...109 APÊNDICE C ...110 ANEXO A ...113
1 INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação do problema
O objetivo da fabricação é a transformação de uma matéria-prima em um produto ou componente [1], sendo, um dos processos de fabricação a remoção por descarga elétrica. Conhecida como EDM (Eletrical Discharge Machining), consiste em um processo termoelétrico de remoção não convencional, onde ocorrem descargas elétricas controladas entre dois eletrodos submetidos a um meio dielétrico [2].
Tipicamente utilizad8 em materiais condutores de eletricidade de elevada dureza visando a obtenção de formas geométricas complexas, este processo térmico possui sequencialmente: aquecimento para temperaturas de fusão, vaporização e ejeção deste material [3]. Neste contexto, a principal motivação deste trabalho consiste em contribuir cientificamente perante a dificuldade na remoção do metal duro, de modo a garantir qualidade nas superfícies sujeitadas à EDM em uma perspectiva de otimização.
Durante a Segunda Guerra Mundial, os físicos e professores Dr. Boris R. e Dr. Natárlia. I. Lazarenko, em Moscou, realizaram estudos sobre a minimização do desgaste em contatos de energia elétrica. Eles testaram materiais diferentes com descargas de energia definida, geradas por um capacitor. Esta idéia iniciou o desenvolvimento da remoção por descarga elétrica, controlada, obtendo maior domínio dimensional nas remoções de matéria [4][5], comparada a qualquer outro estudo anteriormente realizado [5].
Desde então, a tecnologia EDM desenvolveu-se rapidamente e tornou-se indispensável nas aplicações de fabricação, como a manufatura de moldes e matrizes, micro-usinagem, prototipagem, dentre outros. No entanto, os fenômenos termoelétricos inerentes à EDM são complexos e ainda não totalmente compreendidos [4][5]. As descargas elétricas ocorrem em um período de tempo muito curto, em uma fenda de trabalho muito estreita, envolvendo o derretimento e a evaporação do eletrodo-ferramenta e da peça, tornando a análise observacional e teórica extremamente difícil [3].
Perante as difíceis condições físicas na remoção e exigências da qualidade do setor industrial, vários estudos são realizados para contribuir na diminuição de não conformidades, oportunizando parâmetros de contorno em todas as variáveis do processo, na tentativa de otimizar, continuadamente, a operação por EDM [5][6][7][8], principalmente, no
que se refere à erosão de WC-Co utilizando eletrodos de matriz cobre mais tungstênio (CuW) [2][9][10].
Para atender à condição anterior, serão avaliados materiais para eletrodo e parâmetros de remoção por EDM na busca de qualidade e integridade de superfície da peça. O trabalho estuda e compara uma condição denominada X, utilizando Cu, aplicada na indústria atualmente, comparando com duas condições diferentes: Y e Z, utilizando CuW, descritas na sequência deste trabalho.
A principal motivação consiste em aumentar a taxa de remoção do metal duro diminuindo o desgaste junto ao eletrodo-ferramenta, de modo a garantir qualidade nas superfícies sujeitadas à EDM, utilizando uma metodologia combinada entre pesquisa de base e pesquisa aplicada. 1.2 Objetivos
O objetivo principal deste estudo consiste em avaliar materiais para eletrodo na remoção por EDM, relacionando variáveis de interação no desgaste entre o par eletrodo-ferramenta e peça, resultando componentes de melhor qualidade dimensional diminuindo efeitos que afetam a integridade da superfície.
Neste contexto, os sequentes objetivos específicos foram estipulados:
Quantificar a taxa de remoção de material [Vw] e taxa de desgaste
do eletrodo [Ve] para a condição atual X e para as condições
propostas Y e Z;
Avaliar o comportamento do desgaste volumétrico relativo [ ] entre o eletrodo ferramenta e a peça de trabalho;
Verificar a influência do percentual de liga CuW comparado ao Cobre como eletrodo na remoção de WC-Co.
Analisar a influência dos parâmetros de remoção na qualidade e integridade da superfície dos ensaios realizados;
Mensurar dimensionalmente e geometricamente as cavidades removidas estimando o overcut para os regimes desenvolvidos.
2 ESTADO DA ARTE
Este capítulo apresenta de forma estruturada as características físicas e as principais variáveis que influenciam o processo de EDM por imersão na remoção da liga WC-Co. Inicia com uma contextualização do processo, envolvendo as áreas de aplicação e as definições tradicionais.
Faz-se uma breve releitura referente à construção da matéria-prima, às propriedades físico-químicas, o comportamento físico dos componentes e das variáveis submetidas a processos realizados atualmente. Por fim, apresentam-se as características relativas à integridade da superfície em componentes submetidos a este processo de fabricação.
2.1 Processo de fabricação por EDM
Desde os primeiros trabalhos desenvolvidos por Lazarenko em 1943 [11] e observação de fenômenos elétricos anteriormente a este período [5][4], a tecnologia de remoção por descargas elétricas, EDM, desenvolveu-se rapidamente e tornou-se indispensável nas aplicações de fabricação de moldes e matrizes, na micro usinagem e na prototipagem, por exemplo. No entanto, os fenômenos físicos na EDM não são totalmente compreendidos devido à natureza da eletricidade [3]. Entender todos os fenômenos das descargas elétricas na erosão, continua a ser um problema que requer soluções mais eficientes[12][13][14].
Segundo Klocke e König [3] a classificação do processo EDM segue as normas DIN 8580 definida no grupo separar, e na DIN 8590 distinção dos processos de acordo com o princípio de remoção do tipo químico, térmico e eletroquímico de remoção. A Figura 2.1 mostra um esquema simplificado da classificação do processo.
Há outras denominações da remoção por descarga elétrica, como, por exemplo, processo de erosão térmica [4][15] e eletroerosão por faíscas [5]. É um dos processos de fabricação não convencionais, onde ferramenta e peça não entram em contato durante o processo de remoção.
Sendo assim, ocorre a progressão de eventos que constituem o processo de remoção material das superfícies de trabalho por uma sucessão de descargas elétricas, se aplicada uma tensão adequada através do eletrodo-ferramenta (tipicamente o cátodo) e a peça (tipicamente o ânodo) [15]. O processo de erosão ocorre em um meio eletricamente não condutor denominado dielétrico. A peça e a ferramenta são colocadas em uma posição de trabalho de maneira que permaneça entre elas uma fenda de trabalho [3].
Uma vez que a energia elétrica é fornecida ao processo EDM informando os pulsos em corrente contínua (DC), o gerador de pulsos precisa ser atualizado para melhorar as medidas de desempenho, como, por exemplo: corrente de descarga, duração da descarga, duração do pulso de tensão, tempo de intervalo entre dois pulsos sucessivos no processo de remoção. Desta forma, duas condições são identificadas: pulsos de energia mais baixos melhoram o acabamento da peça enquanto os pulsos de energia mais elevados aumentam a taxa de remoção de material [11][15][16].
Segundo Amorim [5] e Klocke, F. et al [17] a melhor hipótese para o fenômeno físico da EDM refere-se à teoria termoelétrica, onde o ciclo de uma descarga elétrica entre dois eletrodos submersos num meio líquido
de trabalho ocorre em quatro fases consecutivas, conforme apresentado na Figura 2.2.
Na Figura 2.2 observa-se quatro etapas diferenciadas em função da tensão e da corrente de um gerador ao longo do tempo, conforme explicita Amorim [2][5]. As fases são classificadas em:
Fase de ignição da descarga; Formação do canal de plasma;
Fusão e evaporação de uma pequena quantidade de material nos eletrodos;
Ejeção do material fundido.
De acordo com GF AgieCharmilles [18], o processo passa por seis fases diferenciadas, evidenciadas na Figura 2.3.
Conforme representado na Figura 2.3, o primeiro estágio consiste no elétrodo aproximar-se da peça, com os dois eletrodos energizados. No estágio dois ocorre uma concentração do campo elétrico em direção ao ponto onde o espaço entre o elétrodo e a peça é menor. Na sequência, no estágio três, cria-se de um canal ionizado entre o eletrodo e a peça.
No quarto estágio ocorre a descarga da eletricidade. O material da peça é vaporizado e desintegrado e o eletrodo é ligeiramente desgastado. No quinto estágio a corrente é cortada, causando implosão do canal de descarga. No sexto e último estágio ocorre a evacuação das partículas metálicas por meio do dielétrico.
Todos os materiais condutores de eletricidade podem ser submetidos ao processo por remoção em EDM, independentemente da dureza e resistência mecânica [15]. Também é possível processar algumas cerâmicas dopadas, de alto desempenho com o auxílio do processo EDM
[3][19]. Outro ponto a ser considerado é a potencial possibilidade de fabricação de componentes que apresentam geometria complexa, não possível pelos processos convencionais [2].
Os fenômenos físicos, elétricos e térmicos que levam à remoção de material são decorrentes principalmente dos efeitos causados pela extração dos elétrons do cátodo, pelo bombardeamento do cátodo pelos elétrons, pela condução dos elétrons para a região da mancha catódica na superfície catódica e pela condução dos elétrons da superfície anódica para o interior do ânodo. A condução dos elétrons, tanto no ânodo como no cátodo leva a um aquecimento pelo efeito Joule, função da corrente de descarga e da seção pela qual os elétrons são conduzidos do e para o canal de descarga. Como o canal de descarga aumenta com o aumento do tempo de descarga, o efeito Joule é mais pronunciado no início da descarga.
2.1.1 Operações em EDM
Observa-se a variação da aplicação em EDM por três concepções diferentes: por imersão (penetração), por fio como ferramenta (WEDM) e furação. Os três métodos trabalham com o princípio físico de remoção por controle das descargas elétricas, formando figuras com características bidimensionais ou tridimensionais desejadas. A seguir são listados as três concepções da EDM citados por Sommer e Sommer [20]:
Remoção por descarga elétrica por imersão (penetração): também denominada de remoção por descarga elétrica convencional, permitindo produzir cavidades com geometria complexa não passantes na peça;
Remoção por descarga elétrica a fio (WEDM): a descarga elétrica ocorre entre um fio e a peça. O fio percorre um percurso pré-definido. Em alguns casos é necessário um furo de entrada para o fio (figuras com perfis internos), o fio pode ser de passagem única ou reaproveitado em bobina reciprocante; Furação por remoção por descarga elétrica (small hole EDM):
utiliza um eletrodo capilar oco (para a passagem do dielétrico internamente) é guiado para realizar movimento de avanço e rotação simultâneos. A remoção ocorre tanto na peça quanto no eletrodo, ambas as taxas de remoção de matéria e desgaste do eletrodo são altas, porém a geometria da cavidade é garantida pela reposição continuada do comprimento do eletrodo.
A Figura 2.4 mostra as variantes do processo de remoção por descargas elétricas.
Figura 2.4 - Operações de remoção por descarga elétrica: a) a fio, (b) por imer-são e (c) furação. Adaptado de Sommer e Sommer [20].
Conforme mostrado na Figura 2.4, os autores complementam que para atender a fabricação de características variadas em componentes, as atuais concepções respondem bem a exigência solicitada pela indústria.
Devido a importância do processo, Muthuramalingam e Mohan [15] observam que uma área de pesquisa significativa é o constante desenvolvimento de novas tecnologias na EDM. Kumar et al. [21] apresentaram uma revisão sobre o fenômeno de modificação de superfície por EDM e as tendências futuras de suas aplicações.
2.1.2 Parâmetros de controle do processo
As principais terminologias do processo estão descritas de acordo com a VDI 3402 de 1990 [22], um resumo das definições para o controle do processo foi aplicado de forma gráfica, conforme a Figura 2.5.
A descrição dos parâmetros é apresentada da seguinte forma [22]: ûi - tensão em aberto [V] - tensão na fenda de trabalho quando
não há fluxo decorrente;
e - tensão média da descarga [V] - representa a tensão na fenda
no decorrer de uma faísca elétrica;
U - tensão média de trabalho [V] - significa a média aritmética da tensão na fenda de trabalho durante uma operação de usinagem;
td - tempo de retardo de ignição [µs] - intervalo de tempo desde
a aplicação da tensão em aberto ûi até o início da descarga;
te - duração da descarga [µs] período decorrido após o
rompimento da rigidez do dielétrico quando ocorre o fluxo efetivo de corrente;
ti - duração do pulso de tensão [µs] - representa o tempo de
aplicação de tensão na fenda de trabalho, correspondendo à soma do tempo de ignição td mais a duração da descarga te;
to - tempo de intervalo entre dois sucessivos pulsos de tensão ti
[µs];
tp - tempo do período do ciclo de uma descarga [µs] - representa
a soma da duração do pulso de tensão ti com o tempo de intervalo
to;
îe - corrente máxima durante a descarga [A]; e - corrente média durante a descarga [A];
fator de serviço: representa a razão entre o tempo de pulso ti
e o tempo de período do ciclo da descarga tp, conforme
apresentado na equação 2.1:
(2.1)
Para Amorim [5], a energia da descarga é a energia fornecida por uma faísca à fenda de trabalho, representada por:
o produto resultante em Joules [J] determina o volume de material removido por descarga e a qualidade do acabamento superficial.
Para avaliação do rendimento tecnológico do processo são usualmente quantificados os seguintes dados [5][23]:
Vw - taxa de remoção de material: caracteriza o volume de
material que é removido no tempo na peça de trabalho [mm3/min].
(2.3)
mw do
componente [g/mm³] e t é o tempo de duração da remoção [min]. Ve - taxa de desgaste: representa o volume de material que é
removido do eletrodo-ferramenta em um espaço de tempo [mm3/min].
(2.4)
me é a variação da massa [g],
eletrodo [g/mm³] e t é o tempo de duração da remoção [min].
- desgaste volumétrico relativo: representa o desgaste volumétrico relativo entre os eletrodo-ferramenta para a peça, evidenciado por [3], sendo:
(2.5)
onde a razão entre a taxa de desgaste para a taxa de remoção é representada em valor percentual [%].
Dois outros fatores são de importância para definição do processo EDM, de acordo com Drozda [24]:
Overcut: Folga entre o eletrodo e a peça de trabalho após a operação EDM. Relativo à maior distância geral entre um pico mais alto e um vale profundo.
Gap: Distância entre o eletrodo-ferramenta e a peça de trabalho durante operações de remoção, descrito também como fenda de trabalho.
2.1.3 Geradores de pulso
A literatura aponta que a forma do controle das descargas elétricas pelos geradores se dá pela distribuição da polaridade entre a o eletrodo e peça de trabalho, a intensidade da corrente elétrica, o tempo de descarga e o tamanho da fenda de trabalho [3][6][25]. Estas variáveis influenciam nos resultados de qualidade da superfície e da taxa da remoção do material [6][16][26].
De acordo com Amorim [5] e Klocke e König [3], os principais geradores para EDM são: gerador de pulsos estático (isoenergético), sendo este o mais utilizado, ainda, o gerador de relaxação operando como um circuito oscilatório (RLC). Este último é utilizado atualmente na microerosão, uma vez que permitem menor energia de descarga.
Contudo, Muthuramalingam e Mohan [15] descrevem um terceiro tipo de gerador. Trata-se de um gerador de pulsos baseado na modulação fixa utilizando um circuito RC somado a um diodo Zener, denominado: ISO current pulse generator, possuindo uma frequência de 4.4 MHz desenvolvido por Yan e Liu [27].
Neste gerador, observou-se que houve uma taxa de remoção de material 24 vezes maior do que o gerador de relaxação. De forma e exemplificar, a apresenta a topografia da superfície usinada usando diferentes geradores de pulso [15].
Figura 2.6 - Topografia em superfícies obtidas por diferentes tipos de geradores: o gerador de isoenergético (a), gerador de pulsos RC (b) e gerador ISO current
pulse generator [15].
A Figura 2.6 mostra a qualidade da superfície da peça de trabalho feita por três diferentes geradores de pulso, desenvolvidos por Muthuramalingam e Mohan [15]. Pode-se observar uma melhora visual na condição (c) em relação aos geradores (a) e (b), contudo, não foram descritas grandezas de ordem topográfica.
A melhor condição para o gerador ISO current pulse se deve ao fato de o estudo em questão utilizar parâmetros de acabamento, a alta frequência diminui tempo de descarga, consequentemente, é possível
utilizar uma corrente de trabalho na ordem de 1.2 A, possibilitando uma menor rugosidade em comparação ao demais resultados.
Para tanto, em parâmetros gerais, os processos EDM possuem as seguintes características, conforme relata GF AgieCharmilles [18], a duração das descargas pode variar de 0,2 a 5400 µs, as tensões de trabalho variam em aproximadamente 60 à 300 V e as correntes na ordem de 1 à 300 A.
A fenda de trabalho ou Gap possui dimensão entre 0,005 à 2 mm, dependendo primariamente das condições estabelecidas na tensão em aberto [5] e as frequências de descarga podem atingir a ordem de 4,4 MHz [15].
2.1.4 Meio dielétrico
Um componente comum a todos os sistemas de remoção por descarga elétrica é o meio dielétrico, normalmente aplicado no estado líquido. O dielétrico tem as seguintes funções [3]:
a constrição do canal de descarga para aumentar a densidade de energia;
a remoção do material removido dos eletrodos da fenda de trabalho,
o arrefecimento e estabilização da temperatura da região da descarga;
permitir a ionização do meio;
o isolamento elétrico do eletrodo da peça de trabalho.
Segundo Amorim [5], conforme o tipo de trabalho a ser executado o fluido dielétrico é direcionado à fenda de trabalho. A Figura 2.7 apresenta possíveis condições de aplicação.
Relata ainda Amorim [5], dependendo principalmente da geometria, profundidade da cavidade e do regime de usinagem (desbaste ou acabamento), o fluido dielétrico é direcionado à fenda de trabalho de várias maneiras como, por exemplo: o método por pressão, o método por sucção e por jorro direcionado, ilustrados na Figura 2.7.
Ressalta-se que, em decorrência da continuada movimentação do eletrodo entre a fenda máxima e fenda mínima (malha de controle), o processo EDM apresenta uma grande instabilidade, podendo apresentar descargas em arcos e curtos-circuitos. Neste sentido, a lavagem promovida pela alimentação de dielétrico na fenda é necessária para o bom desempenho do processo.
Figura 2.7 - Condições de aplicação do dielétrico.
O sistema do dielétrico é composto pelo reservatório, cuba de trabalho, reguladores de pressão e vazão, filtros e motobomba, sendo este conjunto encarregado da limpeza e da alimentação do fluido dielétrico no ambiente de trabalho [5][18]. Pressões na ordem de 0,1 MPa são aplicadas em estudos desenvolvidos por Amorim e Weingaertner [28] e por Kou e Han [29]. A Figura 2.8 ilustra o esquema de um sistema dielétrico.
Os principais meios dielétricos são os meios hidrocarbonetos e água destilada (desmineralizada), Niamat et al. [8] desenvolveram um experimento comparando meio hidrocarboneto em relação à água destilada, atingindo maiores valores de Ve e Vw no meio hidrocarboneto
e rugosidade maior em água destilada.
Shabgard e Najafabadi [30] comentam que para erosão em WC-Co, meios hidrocarbonetos são economicamente preferíveis devido à continuidade da formação WC e partículas removidas na ordem de 50 nm. Para água destilada, obtiveram formação W2C com partícula de 100 nm.
Demais meios dielétricos podem ser aplicados, tais como: óleos vegetais [31][32], aplicação de gás oxigênio [33][34]. Kunieda, et al. [4] relatam sobre a remoção denominada seca, utilizando como dielétrico o gás ambiente, aplicado em estudos desenvolvidos na NASA (National Aeronautics and Space Administration) para furação por EDM. Macedo, et al. [35] obtiveram crateras com maior profundidade e menos espalhadas como resultado em EDM utilizando gás ambiente.
Sommer e Sommer [20] informam que há existência de muitos fornecedores de dielétricos, porém, é necessário obter um produto recomendado pelo fabricante da máquina ao qual se adequa a estrutura de construção do equipamento. Geralmente os fabricantes em seus manuais orientam sobre os dielétricos aplicáveis e características físico-químicas compatíveis ao equipamento.
2.2 Ligas de metal duro
O tungstênio é um metal de transição que possui como características a elevada dureza, densidade e elevado ponto de fusão, que são interessantes na composição de ligas especiais. De acordo com o
Departamento Nacional de Produção Mineral - DNPM [36], grande parte das jazidas brasileiras de tungstênio é encontrada em depósitos de veios de quartzo e em granitoides. No Brasil, elas aparecem nos depósitos de scheelita (CaWO4) formados em skarns situados no Nordeste, como
também em jazidas de veios de quartzo e depósitos secundários (aluvionares e eluvionares) localizados no Sul e ao Norte do país, onde a wolframita (Fe, Mn) WO4 é encontrada associada à cassiterita.
O cobalto é encontrado na única jazida produtora no Brasil, localizada em Niquelândia/GO, ou é importado. Na jazida em Goiás, ocorre a extração do minério de níquel laterítico, seguido de secagem, blendagem, britagem e moagem dos minérios oxidados e silicatados na proporção de cerca de 3 a 4 t de minério oxidado para 1 t de minério silicatado. Após isso é iniciado o processo Caron, que consiste na extração
do níquel por amônia a fim de se produzir carbonato de níquel. Esse carbonato é transportado via rodoviária para São Miguel Paulista/SP onde é produzido níquel e cobalto metálico [36].
Outra consideração do Departamento Nacional de Produção Mineral
[36] observa que a demanda por cobalto continuará forte nos próximos anos devido principalmente à sua utilização nas baterias recarregáveis de íon-lítio, cujo uso principal se dá em aparelhos portáteis. Cerca de 40% do uso do cobalto é voltado para a confecção de baterias e 17% para superligas, seguido de ferramentas 13% e 11% para catalisadores.
Os compósitos, conhecidos como carbonetos, são materiais constituídos por um material duro, como o carboneto de tungstênio (WC) e um ligante comparativamente dúctil, como o cobalto (Co). Conforme ressaltado por Amorim, Weingaertner e Bassani [2], a metalurgia do pó é o processo usual para a obtenção de produtos em carboneto de tungstênio-cobalto. Características de desempenho do carboneto são determinadas por dureza, resistência à ruptura transversal e resistência à fratura.
No que diz respeito à sua aplicação, parâmetros importantes para a otimização destas características são o teor de cobalto e o tamanho de grão da fase do aglutinante metálico. Nos compósitos de carboneto de tungstênio, os grãos de carboneto de tungstênio têm um tamanho médio inferior a 0,2
O cobalto enche as lacunas entre os carbonetos. Quando é necessária uma tenacidade elevada, a teor de cobalto pode atingir até 30%, enquanto que, para máxima resistência ao desgaste, o teor de cobalto é reduzido para valores abaixo de 10% e o tamanho do grão diminuiu para a faixa nano-cristalina abaixo de [37].
A produção do WC acontece quando o ammonium para tungstênio-APT é calcinado em óxido de tungsténio sob alta temperatura. Posteriormente, o óxido é reduzido ao metal de tungstênio em uma atmosfera de hidrogênio. O pó de metal é então misturado com carbono sob atmosfera inerte a altas temperaturas. Os parâmetros de produção são decisivos para o tamanho do grão de WC no carboneto sinterizado [37].
Segundo Sandvik [38], outros elementos podem ser adicionados no momento da fabricação, com o titânio, tântalo e nióbio. Diferentes tamannhos das partículas e misturas destes elementos resultam em diferentes classificações. A Figura 2.9 apresenta as diferenças entre os tamanhos dos carboneto de tungstênio
Um outro fator importante são as impurezas que também podem ser encontradas nas ligas [2]. Estas impurezas afetam diretamentas as propriedades mecânicas do WC-Co, conforme relatam Freemantle et al.
[39]. Geralmemente, no processo de fabricação ocorrem contaminações de ordem sistemática produtiva ou operacionalização incoerente.
Figura 2.9 - Diferentes tamanhos de WC em liga: ultrafino (a), submicrométrico (b) e fino (c). Adaptado de [28].
A Figura 2.9 mostra o substrato com diferentes tamanhos de carbonetos: (a) ultrafino, caracteriza por partículas com tamanho na
ordem de 0, submicrométrico, entre 0,5 e 0, (c) de tamanho
fino, de 0,8 à 1,
Segundo os autores Amorim, Weingaertner e Bassani [2] e Ceratizit [37], as principais propriedades mecânica dos WC são: tensão de compressão, tensão de cisalhamento, fadiga, módulo de elasticidade, tenacidade, além, como mais importante, a influência do tamanho do grão e do conteúdo percentual de cobalto. A Figura 2.10 elucida as propriedades mecânicas dos WC.
Figura 2.10 - Tríade das principais propriedades mecânicas em função de tama-nho do grão e percentual de cobalto. Adaptado de [37].
O fabricante Ceratizit [37] informa outras propriedades que devem ser levadas em consideração, como: densidade, expansão térmica, condutividade térmica, capacidade térmica específica, resistência elétrica específica, saturação magnética e força de campo coerciva, além, da permeabilidade magnética. Contudo, ASM [40] acrescenta outras propriedades encontradas no WC, como: resistência à abrasão e resistência à corrosão.
2.3 EDM de ligas WC-Co
As literaturas sobre o processo de EDM de ligas WC-Co ocorrem com pouca frequência. Foram encontradas em Amorim, Weingaertner e Bassani [2] aspectos relacionados ao rendimento tecnológico do processo com EDM aplicado ao WC-Co na busca de um parâmetro otimizado, da mesma forma que Lee e Li [10], Muthuramalingam e Mohan [15] e Assarzadeh e Ghoreishi [41].
Klocke, Holsten e Klink [42] realizam uma investigação econômica na EDM de metal duro. Kumar et al. [21] observaram o comportamento da superfície do WC-Co erodida em diferentes níveis de parâmetros de entrada. Shabgard e Najafabadi [30] realizaram ensaios observando resultados nano estruturais em componentes de metal duro sujeitado à EDM.
Amorim, Weingaertner e Bassani [2] contextualizam que as ligas de WC-Co podem ser submetidas a processos de fabricação com geometria definida. Foram realizados estudos pelos autores [43][44][45] utilizando usinagem no metal duro, porém, as metodologias ocorreram apenas em peças com geometrias de mínima complexidade.
Além disto, os autores relatam que quando se faz necessária alta precisão em vários tipos nos componentes fabricados WC-Co, o único processo de usinagem convencional geralmente aceito é a retificação. No entanto, falhas são produzidas na superfície da peça devido às altas temperaturas e forças geradas durante a usinagem. Consequentemente, operações de acabamento adicionais são necessárias para eliminar estas falhas e alcançar as características estipuladas no projeto do componente.
Neste contexto, Klocke, Holsten e Klink [42] evidenciam que WC-Co, por sua dureza, são predestinados a serem confeccionados por processos não convencionais, como a EDM, visto que o princípio de remoção de material funciona através da entrada térmica desconsiderando esforços de ordem mecânica do material.
Shabgard e Najafabadi [30] estudaram influências do dielétrico nas nano estruturas do WC após descargas elétricas. Amorim, Weingaertner e Bassani [2] avaliaram condições de parâmetros ótimos para EDM em WC-Co utilizando eletrodos em CuW para tecnologias de usinagem diferentes, buscando dados melhorados para o desgaste volumétrico ( ) e rugosidade Ra da peça. Concluíram que a variação do fator de serviço ( ) melhora ligeiramente a taxa de remoção de material (Vw) e que a tensão
de circuito aberto (ûi) aumenta a taxa de remoção de material e a
Lee e li [10] realizaram extenso estudo analisando a remoção de WC-Co com eletrodos confeccionados em grafite, Cu e CuW, observando a taxa de remoção de material (Vw), polaridades dos eletrodos, pressão de
lavação e rugosidades. Concluíram que o eletrodo como cátodo possui maior taxa de remoção de material com CuW e menor desgaste volumétrico relativo. O grafite possui melhor desempenho se observada apenas a corrente de pico na remoção. Concluíram também que uma pressão de lavação na ordem de 40 a 50 kPa melhora o efeito no desgaste volumétrico relativo e na rugosidade.
Muthuramalingam e Mohan [15] concluem que a maioria das literaturas discutiu sobre a influência dos parâmetros do processo nas medidas de desempenho, modelagem e otimização dos parâmetros do processo envolvidos no processo de eletroerosão. Relatam, ainda, que a corrente de descarga (e) e a duração do pulso (ti) dominam as medidas de
desempenho no processo de EDM.
2.4 Considerações sobre otimização nos parâmetros de entrada na remoção
Estudos realizados por Lee e Li [10] observaram que o CuW é mais adequado para uso como eletrodo na remoção de WC-Co, apresentando melhor desempenho de erosão o eletrodo como o cátodo e a peça de trabalho como o ânodo.
Perceberam também que para resultar em uma alta taxa de remoção de material, baixo índice de desgaste volumétrico relativo e bom acabamento da superfície erodida, os objetivos tornam-se conflitantes, que não podem ser alcançados simultaneamente com uma combinação particular de configurações de controle. Todavia, a dificuldade de otimização nesse processo de fabricação é evidente, conforme descrevem Klocke e König [3]. Fazendo necessário aprimoramento e aprofundamento científico para atender as solicitações de melhorias na remoção de WC-Co.
Amorim, Weingaertner e Bassani [2], atentos aos requisitos do setor industrial, desenvolveram um estudo de otimização para erosão de WC-Co utilizando unicamente eletrodo de CuW, na proporção de 70% de tungstênio e 30% de cobre. Descreveram ainda que atualmente na usinagem EDM de ligas metálicas, decisões conservadoras são tomadas para obter um desempenho de usinagem mais seguro, geralmente com fator de serviço na ordem de 0,5.
Os autores utilizaram regimes de desbaste e acabamento em um planejamento experimental com três estágios, observando: primeiramente
os efeitos da duração de descarga, o segundo estágio concentrou-se nos efeitos do fator de serviço e a terceira etapa observou o comportamento da remoção sob os efeitos da tensão de circuito em aberto.
Perante o objetivo de aplicar uma melhoria no processo industrial, foi adicionado um regime chamado de semiacabamento. Este regime preenche uma lacuna entre a operação de desbaste para uma de acabamento, atenuando os efeitos térmicos da remoção. Conforme evidenciado por Qu et al. [46], operações com maior densidade de energia promovem diminuição da dureza e aumentam zona termicamenta afetada na região da subsuperficie.
2.5 Análise de superfícies usinadas
O resultado de uma operação de usinagem é uma relação de compromisso entre as variáveis envolvidas no sistema. Além das características dimensionais e de textura de um componente, também são passíveis de serem avaliados os requisitos da integridade da superfície, que abordam os efeitos mecânicos e metalúrgicos causados pelos processos de usinagem na camada limite dos componentes [47].
A preocupação com as características de uma superfície usinada começou a ganhar maior relevância principalmente com o aumento da exigência quanto ao nível de qualidade, vida, confiabilidade e desempenho, bem como o desenvolvimento de componentes com aplicações críticas de engenharia, como nos campos aeronáutico, biomédico e automobilístico [48].
2.5.1 Textura da superfície
De acordo com Thakur e Gangopadhyay [49] a textura da superfície é constituída pela rugosidade, ondulação e leituras combinadas com outras características macro morfológicas da superfície usinada que normalmente podem ser consideradas como defeitos ou irregularidades.
Na definição dada pelo Machining Data Center [50], trata-se da métrica na textura da superfície relacionada aos desvios repetitivos ou aleatórios da superfície nominal que formam a topografia tridimensional de uma superfície.
A tecnologia de textura da superfície é muito utilizada como um índice de variação de processo, devido ao desgaste da ferramenta, vibrações da máquina-ferramenta, elementos de máquina danificados, entre outros vários fatores que podem influenciar em um processo de usinagem, do que como uma medida do desempenho do componente [51].
Segundo Bet [52], a textura da superfície pode ser dividida em três perfis: perfil geométrico, perfil real e perfil efetivo, ilustrada na Figura 2.11.
Figura 2.11 - Perfis relativos a textura de superfície. Adaptado de [50].
O perfil geométrico é aquele que foi definido e está especificado em projeto. O perfil real está definido como aquele que foi obtido após o processo de fabricação e, finalmente, o perfil efetivo é o perfil que foi filtrado pelo instrumento de medição, o qual apresenta uma aproximação corrigida matematicamente do perfil real.
Ainda, a textura da superfície pode apresentar também quatro elementos marcantes após passar pelo processo de usinagem, sendo esses elementos [52]:
Rugosidade: irregularidades resultantes do processo de fabricação. Isto inclui marcas e outras irregularidades dentro do comprimento de amostragem.
Ondulação: inclui todas as irregularidades cujo espaçamento é maior que o comprimento de amostragem da rugosidade e menor que o comprimento de amostragem da ondulação. Ondulações podem ser resultantes da usinagem, vibrações e tratamentos térmicos.
Marcas: é a direção do padrão predominante da superfície, sendo que normalmente são determinadas pelo método de fabricação utilizado.
Falhas: são irregularidades que ocorrem em um lugar ou em intervalos relativamente pouco frequentes ou muito diferentes na superfície [51].
Conforme descreve Davim [51], a rugosidade no processo EDM aumenta à medida que a corrente de pulso aumenta, as descargas atingem a superfície de forma mais intensa. Se o tempo de pulso aumenta, a quantidade de energia térmica transferida aumenta e a rugosidade da superfície é afetada negativamente. Para este contexto, Amorim,
Weingaertner e Bassani [2], assim como, Klocke, Holsten e Klink [42], Mohanty, Mahapatra e Singh [23] e Carlini et al. [53] encontraram resultados semelhantes para esta condição em aplicações nos materiais para peças equivalentes, conforme mostra a Figura 2.12.
Figura 2.12 - Comportamento da rugosidade Ra. (a) em função da corrente de pulso e (b) em função da duração do pulso. Adaptado de [51].
Observa-se na Figura 2.12 o comportamento da rugosidade da superfície Ra em função de dois parâmetros de usinagem na EDM considerados de entrada, além destes, a duração entre pulsos é outro fator relevante para a resultante rugosidade [51]:
Conforme evidenciado por Amorim, Weingaertner e Bassani [2] e Sireli, Orhon e Sireli [54], a medida em que a corrente de pulso é aumen-tada e a duração do pulso torna-se maior, a rugosidade da superfície au-menta, contudo, ambos os fatores influenciam nesta resposta durante a erosão individualmente, porém não estão necessariamente correlaciona-dos.
2.5.2 Integridade da superfície
Conforme relata Klink [55], na prática industrial, a geração de uma integridade de superfície desejada de componentes de alto desempenho ainda é um processo intuitivo, referenciado na experiência. Apesar dos resultados dos pesquisadores correlacionarem os parâmetros do processo com a integridade da superfície resultante, até hoje, não é possível deduzir os parâmetros necessários a partir de uma dada superfície desejada.
De acordo com Campos [48] o desempenho de um componente fabricado é influenciado pela qualidade e confiabilidade da superfície produzida tanto em termos topográficos, bem como da camada da subsuperfície. Muitos estudos têm sido realizados nas últimas décadas
para investigar as relações entre os parâmetros do processo de fabricação sobre o desempenho do componente. A força motriz por trás disso tem sido a constante necessidade de atender à crescente demanda no desempenho do componente, confiabilidade e durabilidade.
Por definição, conforme relata Davim [51], a integridade da superfície não desempenha só a função de avaliação topológica, mas sim do conjunto das condições físicas, químicas, metalúrgicas, mecânicas e biológicas.
A Figura 2.13 apresenta duas condições de entrada e as resultantes coletadas para a textura da superfície e integridade da superfície [46], onde: CR descreve a região da remoção, HA como a zona afetada pelo calor e RL como a camada limite.
Figura 2.13 - Micrografia em duas condições: (a) duração do pulso ti de 14 µs e (b) de 5 µs [48]
Rizvi e Agarwal [9], verificaram a integridade da superfície utilizando eletrodo de CuW com pequenos diâmetros variando os dados
de entrada. Amorim [5] complementa que a partir da mudança dos parâmetros de entrada, efeitos de ordem térmica também são alterados, resultando diferentes condições na microestrutura, como: microfissuras na camada superficial e poros indesejados intrinsecos ao processo EDM. Evidenciando estes danos, Qu et al. [46] desenvolveram estudos na seção transversal de componentes sujeitados a EDM (Figura 2.13). Foi verificada a dureza na camada da superfície e zona termicamente afetada na região subsuperfície. Concluíram que a camada danificada apresentou menor dureza que o substrato ao longo de um perfil nanoindentado.
Jahan, Wong e Rahman [56] observaram efeitos de textura e integridade da superfície utilizando com peça WC-Co com os três tipos de eletrodos: tungstênio (W), cobre tungnstênio (CuW) e prata tunstênio (AgW), concluriram que o AgW fornece melhores propriedades elétricas e térmicas em comparação com outros eletrodos neste estudo, porém, a taxa de remoção do material utilizando CuW foi três vezes maior que o AgW e quatro vezes que o W.
Assim como Qu et al. [46], Amorim [5] verificou que na espessura da camada limite, onde a elevação da energia aplicada torna-se mais espessa, uma redução significativa da dureza do componente através de um perfil de microdureza da superfície até a base da liga, contatou a queda de dureza ficou na ordem de 50%. Estas alterações ocorreram tanto em operações de desbaste quanto de acabamento.
3 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
O planejamento experimental acontece, em primeiro momento, descrevendo a motivação e metodologia utilizada nesta pesquisa. Foram separados cinco grandes grupos evidenciando as particularidades do desenvolvimento tecnológico, como: caracterização, ensaios replicados, ensaios propostos, análise de resultados e conclusões, conforme apresentado na Erro! Fonte de referência não encontrada..
3.1 Metodologia
Para diminuir efeitos que afetam a integridade da superfície e melhorar a qualidade dimensional, foram avaliados materiais para eletrodo e parâmetros de remoção por EDM, relacionando variáveis de entrada já otimizadas em estudos anteriores.
A condição citada é fruto de uma motivação encontrada no setor industrial para aprimoramento do processo de remoção sobre componentes fabricados em Metal duro, a partir desta metodologia, denominado como WC-Co.
Aplicou-se como material de eletrodo o cobre eletrolítico (Cu) e duas ligas compostas em cobre tungstênio (CuW), consistindo, na primeira liga com 85% W e a segunda liga com 65% de W. A comparação da variação das ligas foi definida a partir de trabalhos não encontrados na literatura, da verificação de disponibilidade de mercado e da alteração representativa do percentual de W, buscando, através de ensaios, resultados relacionados à integridade da superfície e qualidade do componente, apresentados no próximo capítulo.
Para concepção deste estudo, os procedimentos metodológicos desta pesquisa compõem:
Levantamento de dados da condição X, utilizada no setor industrial;
Caracterização dos materiais e equipamentos; Preparação das amostras;
Replicação da condição X, adequando os ensaios ao planejamento experimental;
Desenvolvimento das condições propostas Y e Z otimizadas, embasadas em referências pesquisadas;
Coleta dos resultados nos ensaios; Análise dos resultados e discussões; Conclusões.
Foram realizadas visitas a uma empresa localizada na região norte do estado de Santa Catarina, fornecedora de serviços terceirizados na área de ferramentaria para moldes e matrizes.
Foram coletadas informações referentes ao processo de fabricação utilizados por eles, e segundo suas exposições, o tempo para fabricação do componente é aproximado de 18 h na EDM para ajuste do diâmetro
com dimensão de mm baseados na tolerância IT8,
conforme o Anexo A. Citam também, que o tempo necessita ser otimizado e a tolerância dimensional torna dificultoso o processo de fabricação.
Outro problema evidenciado possui referência na qualidade do componente. Por tratar-se de uma matriz para forjamento de aço aplicada na indústria automotiva, o volume de utilização da matriz é significativo. As forças compressivas envolvidas no processo de forjamento são altas e cíclicas, resultando em esforços mecânicos consideráveis neste componente.
As duas principais não conformidades reveladas foram: falha catastrófica do componente na compressão e perda no controle dimensional da peça forjada, promovida pelo desgaste da matriz. Consistem em causas possíveis para um descarte prematuro do componente ou inconformidade do produto forjado.
Para contornar estes problemas, esta metodologia apoiou-se na pesquisa de base e na pesquisa aplicada, buscando referências atuais para otimização na remoção em componentes de WC-Co. As demais etapas do planejamento experimental consistem na caracterização da matéria-prima, na descrição da condição X, nos ensaios replicando X de forma ajustada, além, das condições Y e Z propostas.
3.2 Caracterização do WC-Co
A matéria-prima utilizada na fabricação dos componentes é um WC-Co do fabricante Ceratizit© de classe K30. Para sua caracterização
foi separada uma amostra com diâmetro de 25mm e 6mm de espessura, confeccionado pelo processo WEDM, posteriormente, realizou-se lixamento e polimento com pasta de diamante de 1 µm.
Aplicou-se a técnica de medição por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) pelo microscópio eletrônico de varredura (MEV), realizado na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). A Figura 3.2 apresenta o EDS com a distribuição dos principais elementos.
Observa-se na Figura 3.2 uma distribuição homogênea dos elementos da liga, destacando a presença de W na cor amarelo, Co representado na cor azul e C identificado em tons de cinza. A Tabela 3.1 exemplifica o percentual químico dos principais elementos encontrados na amostra resultantes da aplicação do EDS.
Tabela 3.1 - Caracterização química por EDS
Espectro C Co W Demais Total
Média 8,57% 10,43% 80,57% 0,43% 100,00%
Desvio padrão 0,29 1,18 1,10 0,07
Pode-se verificar a distribuição química percentual para a amostra retirada da matéria-prima utilizada na confecção do componente. Nota-se que a composição base do WC-Co é de aproximadamente 80,50% de W e de 10,40% Co. Ceratizit [37] informa que materiais com o percentual na faixa de 10,00% de Co caracterizam-se por tamanho de grão submicrométrico, possuindo dimensões na ordem de 0,50 a 0,80 µm. 3.3 Processo de remoção na condição X
O processo de remoção na condição X foi considerado como a condição aplicada atualmente na indústria. O componente produzido possui geometria com tolerâncias dimensionais de forma especificados no anexo A.
3.3.1 Descrição da fabricação
A fabricação atual consiste em realizar o corte transversal no comprimento de 20 mm de uma barra com total de 305 mm (Figura 3.3 a-b), seguindo decorre um detalhe semicircular exterior (c), ambos utilizando processo por WEDM com fio de latão no diâmetro de 0,25 mm. Este detalhe é necessário para marcar a posição de montagem da matriz na forja.
Posteriormente, é realizada uma furação por EDM com diâmetro 3 mm no sentido longitudinal ao corpo previamente separado (d). O furo é utilizado apenas para promover uma passagem do fio de latão para a próxima operação. Em seguida, é realizada a remoção do perfil oblongo (e), utilizando novamente WEDM nas condições acima descritas.
A próxima etapa consiste em um desbaste com eletrodo tubular de Cu na EDM (f-g), no qual o dielétrico é aplicado internamente ao eletrodo, circulando pelo sistema de fixação do eletrodo-ferramenta.
Figura 3.3 - Sequência da fabricação do componente.
Por fim, são realizadas uma operação de semiacabamento e uma operação de acabamento (g-h), ambas as situações utilizando eletrodo confeccionado em Cu. Estas condições são necessárias para ajuste da tolerância dimensional e atendimento à rugosidade solicitada no projeto, conforme o Anexo A.
O volume removido para a produção do componente está na ordem de 24,70% da massa total, possuindo uma quantidade significativa de remoção, salientando ainda, a fabricação em três diferentes tipos de máquinas de descarga elétrica.
3.3.2 Equipamento e sistemas de fixação
A máquina utilizada no processo de remoção X é do fabricante +GF+ AgieCharmilles©, modelo ACTSPARK SP1, com comando CNC,
servo acionamento no eixo Z, gerador tipo pulso estático e relaxação limitada. Os curso dos eixos X, Y, e Z são de, respectivamente, 320 mm x 250 mm x 250 mm, com tolerância dos eixos X e Y igual a 1 µm e eixo Z de 0,5 µm.
A corrente máxima de trabalho é de 50 A, possui tensão de alimentação do sistema em 380 V com 60 Hz e potência máxima de consumo de 10 KVA. Possibilita interpolações planetárias do tipo: circular, quadrado, estrela e vector. A Figura 3.4 mostra o equipamento utilizado no processo de remoção X.
Figura 3.4 - Máquina utilizada no processo X.
A fixação do eletrodo-ferramenta é feita através de sistema de encaixe rápido system 3R® com porta pinça do tipo ER 32, dispositivo que permite um rápido posicionamento no cabeçote do equipamento, além de tornar facilitada a centralização e alinhamento longitudinal do eletrodo. A fixação dos elementos está representada na Figura 3.5, que evidencia o regime de desbaste.
Figura 3.5 - Fixação do eletrodo e da peça de trabalho.
O posicionamento e travamento da peça de trabalho se dá através de um dispositivo desenvolvido na própria empresa, possuindo caminho
