Tecnologia Mecânica I - Electroerosão (PDF)

TECNOLOGIA MECÂNICA I ELECTROEROSÃO José Manuel Simões Ivan Galvão Ivo Bragança  Electroerosão Electroerosão Peças - exemplos...

TECNOLOGIA MECÂNICA I ELECTROEROSÃO José Manuel Simões Ivan Galvão Ivo Bragança  Electroerosão Electroerosão Peças - exemplos Moldes e ferramentas Peça de apoio traseiro de um Formula 1 2  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Peças - exemplos Honey comb or rib shape 3  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Peças - exemplos 4  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão 5  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Enquadramento O processo de electroerosão EDM (Electrical Discharge Machining), é cada vez mais utilizado na indústria de moldes, matrizes, ferramentas de corte, etc. Sendo, actualmente, englobado no conjunto de processos de maquinagem convencional. EDM é um processo de remoção de material condutor que usa energia térmica gerada por uma descarga eléctrica. O processo pode variar desde furação, perfuração de micro-furos diâmetro de um fio de cabelo até cavidades de moldes de 60 toneladas. O processo de EDM é actualmente dos método mais utilizado para remover material sem aplicação directa de uma força mecânica de corte. 6  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Algumas Características do Processo A maquinagem é efectuada através de descargas eléctricas, cuja energia térmica associada, provoca a fusão e/ou vaporização do material. É possível a maquinagem de materiais de elevada dureza e de geometria complexa. A única restrição ao material da peça, é que seja bom condutor da corrente eléctrica. As peças obtidas não apresentam rebarba. A taxa de remoção de material é relativamente baixa, comparativamente aos processos de corte por arranque de apara, mas em contrapartida as propriedades como a tenacidade e a dureza dos materiais a maquinar não são relevantes. 7  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Variantes tecnológicas - equipamentos Existem alguns tipos diferentes de máquinas e aplicações industriais que usam o processo de EDM para maquinar peças com elevada precisão. EDM por penetração: Tipicamente utiliza-se um eléctrodo de cobre ou grafite como ferramenta; É gerada uma geometria a 3D na peça com a forma negativa do eléctrodo; O par eléctrodo/peça está mergulhado num líquido dieléctrico e separado por uma folga (gap) 8  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão EDM por penetração (cont): A peça a maquinar tem de ser electricamente condutora e a ferramenta, o eléctrodo, mergulhada no meio dieléctrico. Neste processo a ferramenta vai progressivamente ficando gravada como invertida na peça. Peça de plástico injectada EDM de penetração é muitas vezes Peça / molde designada de Sinker, Ram-Type, Die- Sinking, Conventional, Plunge ou Vertical EDM 9  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Variantes tecnológicas - equipamentos EDM por fio (WEDM - Wire Electrical Discharge Machining) : Este processo é amplamente utilizado, remove o material através de uma descarga eléctrica com um eléctrodo em fio que atravessa longitudinalmente a peça. A passagem relativa entre o eléctrodo e a peça é controlada por um sistema CNC para cortar a peça de trabalho na forma desejada. WEDM é amplamente usada para cortar punções e matrizes e muitas outras aplicações industriais. 10  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão O Processo Penetração Ferramenta Canal de Σmonodescargas Plasma Por fio Peças características Peça Monodescarga 11  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Parâmetros eléctricos U 0 Tensão Ferramenta U Desc 40 - 330 [Volts] 0,5 - 150 [Amp] Meio Canal de Gap Frontal T P Tempo [s] Dieléctrico Plasma 0,5-60 [m] t Corrente eléctrica Peça I Desc I Ioniz Tempo [s] Parâmetro Abreviatura Tensão em vazio entre o eléctrodo e a peça Uo Intensidade de corrente de ionização IIoniz Tensão entre o eléctrodo e a peça durante a descarga UDesc Intensidade de corrente durante a descarga IDesc Tempo de impulso eléctrico (Time on) T Tempo de pausa (Time off) P Tempo de duração de um ciclo, t = T + P t 12  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão O mecanismo de remoção de material 1) Iniciação e Propagação do streamer Esta fase representa a iniciação e propagação do streamer que correspondente ao momento aplicação da tensão do circuito eléctrico entre os eléctrodos até à queda tensão. Este período é conhecido como tempo de ionização, ignição td. 13  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão O mecanismo de remoção de material 2) Descarga no canal de plasma Esta fase ocorre instantaneamente logo após formação completa do streamer, e a corrente aumenta rapidamente para o valor programado. É caracterizada pela formação de um canal de plasma rodeado por uma bolha de vapor de gás. Neste período de tempo ocorre a fusão e a evaporação de uma pequena quantidade de material em ambos os eléctrodos. 14  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão O mecanismo de remoção de material 3) Colapso do canal de plasma O colapso do canal de plasma ocorre no momento que se desliga a energia eléctrica e provoca a ejecção violentamente do material. Neste momento uma parte do material derretido e vaporizado é afastado pelo fluxo do dieléctrico através do gap e é resolidificada a cratera recém formada. 15  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Eléctrodos Podem-se considerar dois grandes grupos de eléctrodos: metálicos e grafite Os cinco eléctrodos mais utilizados são: latão, cobre, tungsténio, zinco e grafite (alguns eléctrodos são combinações com outros metais para reduzir o desgaste da ferramenta e majorar a eficiência do processo: latão e zinco, cobre e telúrio, cobre tungstênio e prata). Inicialmente, o bronze foi usado como um eléctrodo, apesar de seu desgaste elevado. Mais tarde melhorou-se a relação de desgaste usando cobre e suas ligas. Contudo o baixo ponto de fusão do cobre (1085ºC) pode provocar uma taxa de desgaste elevada em relação a outros metais. 16  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Eléctrodos Estudos mostram que eléctrodos de grafite têm melhor relação entre taxa de remoção e desgaste, e muda de estado sólido para gás (3350ºC). Só a grafite permite funcionar num regime designado “zero wear”. Tungsténio tem um ponto de fusão semelhante ao da grafite, mas é extremamente difícil de maquinar. Tungsténio é usado em pré formas, geralmente como tubos e varetas para cavidades e furação de pequeno porte. A regra geral é: eléctrodos metálicos para ligas de baixa temperatura: os eléctrodos de grafite para ligas de alta temperatura. 17  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Eléctrodos Alguns sistemas incluem dispositivos para a electroerosão planetária, em que se produzem movimentos suplementares na horizontal, que são sobrepostos ao avanço na direcção vertical. Consegue-se assim erodir com eléctrodos simples formas com uma geometria complicada, como por exemplo a erosão de furos cónicos ou com reentrâncias laterais. 18  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Folga As medidas da peça que se pretendem obter por electroerosão são maiores que a medida inicial do eléctrodo. Isto é justificado pelo desgaste do eléctrodo, pela folga necessária para se dar a descarga, mas também pela estabilidade da máquina e guiamento do eléctrodo. Em geral esses valores encontram-se tabelados em função do regime de erosão (tabelas tecnológicas). O gap varia entre 0,01mm e 0,5mm, dependendo do par eléctrodo-peça, do líquido dieléctrico, da qualidade superficial exigida e da regulação do gerador. O gap frontal é determinado, controlado pelo servomecanismo/gerador que comanda a descida do cabeçote porta-eléctrodos, enquanto que o “gap” lateral é afectado pelos valores previamente regulados da duração e intensidade dos impulsos. 19  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Eléctrodos COEFICIENTES PARA CÁLCULO DE AMPERAGEM ELETRODO MATERIAL A SER MAQUINADO COEFICIENTE PARA AMPERAGEM Cobre Eletrolítico Aço 0,07 A /mm2 Grafite Aço 0,01 A / mm2 Cobre e Tungstênio Aço 0,14 A / mm2 Cobre Cobre 0,07 A /mm2 Cobre e Tungstênio Pastilha de metal duro 0,05 A / mm2 Com base na tabela é possível calcular o numero de amperes utilizado para erodir a peça, minimizando o desgaste da ferramenta 20  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Eléctrodos Durante o processo de electroerosão e devido ao desgaste, o contorno do eléctrodo vai perdendo a sua forma original em maior ou menor grau. Se o desgaste se produzisse de uma forma linear poderia ser compensado. O facto é que as quinas vivas e os cantos sofrem desgastes maiores que as superfícies devido a uma maior densidade de corrente. Para furos cegos, devido às más condições de lavagem e do desgaste mais acentuado das quinas vivas, o furo tem tendência a apresentar uma conicidade na sua parte final. Além da conicidade poderá apresentar-se um arredondamento no fundo do furo devido ao desgaste da parte frontal do eléctrodo.  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Meio Dieléctrico Ambos os eléctrodos são submersos no fluido dieléctrico. A maioria dos fluidos dieléctricos de qualidade são inodoros, mas existem alguns que produzem um odor, geralmente significa que a qualidade não é elevada. Todos os fluidos EDM tem uma elevada rigidez dieléctrica. Rigidez dieléctrica é importante, enquanto um alto valor de força é necessária, muito alto iria forçar uma abertura menor e pode levar a um maior desgaste dos eléctrodos. Rigidez dieléctrica = (Tensão do circuito em aberto) / (Dimensão do plasma) 22  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Meio Dieléctrico As funções do líquido dieléctrico são as seguintes: Limitar ao mínimo o canal de descarga de modo a aumentar a densidade de energia, o que equivale a concentrar a descarga numa superfície reduzida; Remover as partículas erodidas através de um processo de lavagem evitando curto-circuitos que podem levar a fusão superficial da peça; Evacuar os compostos resultantes da decomposição do líquido dieléctrico; 23  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Meio Dieléctrico As funções do líquido dieléctrico são as seguintes (cont.): Refrigerar suficientemente a peça de modo a evitar tanto quanto possível alterações metalúrgicas significativas e alterações dimensionais dos eléctrodos. Evitar a entrada de ar e por conseguinte qualquer oxidação na altura da descarga. Descargas serem distribuídas uniformemente por toda a ferramenta 24  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Tipos de lavagem 25  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Circuitos eléctricos Circuito de Relaxação, RC Rotary Impulse Generator (RIG) Gerador de tubos de vácuo Gerador de transístor Gerador com feedback 26  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Circuitos eléctricos Impulso quadrado (isofrequency) Isopulse 27  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Polaridade Influência da polaridade Directa Inversa A polaridade é um parâmetro importante e deve ser considerada em conjunto com outros parâmetros operacionais, principalmente com as propriedades do par de materiais e o tempo de impulso. Polaridade inversa Polaridade directa 28  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Capacidade erosiva ou débito Vw 29  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Capacidade erosiva ou débito Vw 30  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Desgaste da ferramenta O desgaste aumenta com : A intensidade da corrente (excepto na grafite que diminui, em consequência dos fenómenos relacionados com o regime “Zero Wear/No Wear" do eléctrodo) A diminuição da duração do impulso. Por outro lado, intervalos entre descargas pequenos (aumento da relação cíclica) originam desgastes relativos mais pequenos. Os desgastes típicos dos eléctrodos de cobre electrolítico (99,9% puro) são: Desbaste - 1 a 5% Semi-acabamento - 5 a 10% Acabamento - 10 a 15% 31  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Vantagens e limitações Vantagens Maquinagem de materiais duros Ausência de esforços mecânicos sobre a peça Formas complexas, pequenas e precisas Baixa rugosidade superficial Não produz rebarbas Limitações Geralmente o débito é pequeno em relação à maquinagem convencional Maior consumo de energia Desgaste do eléctrodo interfere na precisão 32  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Características da superfície da peça Cada combinação material-processo é única e dependendo do estado metalúrgico do material e da densidade energética durante o processo podem surgir diversos efeitos. Assim cada processo opera com diferentes intensidades/densidades energéticas quando se pretende, por exemplo, fazer um desbaste ou acabamento. 33  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Electroerosão Electroerosão Características morfológicas das superfícies Tipicamente, a zona termicamente afectada apresenta três camadas distintas: - Camada branca – camada refundida, formada por partículas de metal fundido que se redepositaram na superfície da peça. Esta camada em peças de aço, pode ter maior dureza do que o material de que é originária; - Camada intermédia dura - camada de material que fundiu, mas que não se separou do material base e que aí permaneceu como uma camada refundida; - Camada intermédia macia - camada de material recozido, o qual apresenta menor dureza do que o material de que é originária. A profundidade da zona termicamente afectada pode variar entre 2 m e 0,4 mm. 34  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I  Dúvidas? Questões? Até à próxima aula!  Licenciatura em Engenharia Mecânica / Tecnologia Mecânica I