Usinagem Eletroquímica: Princípios, Aplicação e Resultados, Notas de aula de Eletroquímica

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Guilherme Fabricio Aosani

CONSTRUÇÃO DE UM DISPOSITIVO PARA USINAGEM

ELETROQUÍMICA

Horizontina

Guilherme Fabricio Aosani

CONSTRUÇÃO DE UM DISPOSITIVO PARA USINAGEM

ELETROQUÍMICA

Trabalho Final de Curso apresentado como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica, pelo Curso de Engenharia Mecânica da Faculdade Horizontina.

ORIENTADOR: Richard Thomas Lermen, Dr.

Horizontina

AGRADECIMENTOS

Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas pessoas, as quais presto minha sincera homenagem: À minha família que me apoiou durante esta caminhada. Aos professores que nos ajudaram durante a graduação, em especial ao professor Richard T. Lermen, pela orientação, oportunidade e dedicação durante a realização do trabalho. À Faculdade Horizontina - FAHOR por permitir a fabricação, montagem e realização dos testes práticos. Aos colegas, amigos e familiares que me acompanharam e auxiliaram na realização deste trabalho.

“Se fui capaz de ver mais longe, é porque me apoiei em ombros de gigantes”. (Isaac Newton)

ABSTRACT

The work aims to develop a device for Electrochemical Machining ("Electrochemical Machining" - ECM ). This device consists mainly of an anode and a cathode immersed in an electrolyte with application of electric current in the process. Experimental tests consist of three different materials, ductile iron (FOFO), Docol 1000 DP and stainless steel (AISI 304) with currents of 50 A and 100 A. The results show that apply more electric current in the process increases material removal, however, apply smaller electrical current results in a better finish. It can be concluded that the process is efficient due to the materials used as the test specimen are actually machined by the electrochemical process.

Keywords: Electrochemical machining. Machining parameters. Different materials.

LISTA DE FIGURAS

• Figura 1 - Princípio da usinagem eletroquímica.
• Figura 2 - Princípio da usinagem eletroquímica.
• Figura 3 - Principio de usinagem eletroquímica.
• Figura 4 - Componentes do dispositivo de usinagem eletroquímica.....................................
• Figura 5 – (a) Fonte de Potência e (b) Bomba de sucção
• Figura 6 - Ferramenta (cátodo) de cobre utilizada nos testes experimentais
  • 2, (C) teste 3, (D) teste 4, (E) teste 5 e (F) teste 6........................................................ Figura 7 - Corpos de prova para os testes de usinagem eletroquímica. (A) teste 1, (B) teste
• Figura 8 - Vista geral do dispositivo de Usinagem Eletroquímica construído.
• Figura 9 - Ferro Fundido Nodular – Comparação dos corpos de prova A e B.
• Figura 10 - Docol 1000 DP – Comparação dos corpos de prova C e D.
• Figura 11 - AISI 304 – Comparação dos corpos de prova E e F.
  • experimento. Figura 12 - (a) Eletrólito limpo antes da usinagem eletroquímica e (b) depois de um
• Tabela 1 – Parâmetros dos testes experimentais. LISTA DE TABELAS
• Tabela 2 - Massa retirada com a usinagem eletroquímica nos corpos de prova A e B.........
• Tabela 3 - Massa retirada com a usinagem eletroquímica nos corpos de prova C e D.
• Tabela 4 - Massa retirada com a usinagem eletroquímica nos corpos de prova E e F.
• 1. INTRODUÇÃO SUMÁRIO
• 1.1. JUSTIFICATIVA
• 1.2. OBJETIVOS
• 2. REVISÃO DA LITERATURA
• 2.1. ELETRÓLISE, A BASE DA USINAGEM ELETROQUÍMICA
• 2.2. PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO DA USINAGEM ELETROQUÍMICA
• 2.3. A USINAGEM ELETROQUÍMICA
• 2.4. IMPORTÂNCIA DO ELETRÓLITO
• 2.5. CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO DE USINAGEM ELETROQUÍMICA
  • 2.5.1 Taxa de remoção de material
  • 2.5.2 Precisão......................................................................................................................
  • 2.5.3 Acabamento da superfície........................................................................................
• 2.6. PARÂMETROS OPERACIONAIS
• 2.7. APLICABILIDADE DO PROCESSO DE USINAGEM ELETROQUÍMICA
• 3. METODOLOGIA...........................................................................................................................
• 3.1. MATERIAIS E EQUIPAMENTOS
• 3.2. MÉTODO EXPERIMENTAL
• 4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
• 4.1. FUNCIONAMENTO DO DISPOSITIVO DE USINAGEM ELETROQUÍMICA
• 4.2. RESULTADOS DOS TESTES EXPERIMENTAIS..........................................................................
  • 4.2.1 Usinagem realizada com Ferro Fundido Nodular
  • 4.2.2 Usinagem realizada com aço Docol 1000 DP
  • 4.2.3 Usinagem realizada com Aço Inoxidável AISI
• 4.3. ANÁLISES GERAIS
• 5. CONCLUSÕES
• REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.....................................................................................................

1. INTRODUÇÃO

O processo de usinagem eletroquímica teve seus primeiros desenvolvimentos significativos na década de 1950. Este processo foi investigado como um método para formação de ligas de alta resistência. A partir de 1990 a tecnologia passou a ser empregada mais largamente na indústria, no setor automotivo, petrolífero, indústria e engenharia médica, bem como empresas aeroespaciais. O processo é usado tanto para desbaste quanto para a obtenção de superfícies lisas, furos, perfis de forma complexa, e remoção de trincas de fadiga em estruturas de aço. A usinagem eletroquímica tem como grande campo de aplicação a usinagem dos materiais de alta resistência e ligas resistentes ao calor. A grande vantagem do processo é a usinagem de materiais independentemente de suas características físicas, tais como: dureza, tenacidade, fragilidade e a alta qualidade das superfícies usinadas devido ao arrancamento de átomo por átomo do material da peça, através de reações eletroquímicas, sem geração significativa de calor. Tendo em vista, a lógica de que para usinar metais extremamente duros é preciso ferramentas de corte ainda mais duras, com isso torna-se cada vez mais difícil aplicar os processos de corte mecânico tradicionais e por isso, a aplicação do processo de usinagem eletroquímica é necessário. A usinagem eletroquímica é baseada no princípio da eletrólise de Faraday. Esse processo não tradicional de usinagem ocorre por dissolução anódica na peça, ou seja, a remoção de material é feita através de reações eletroquímicas com uma fonte de energia de alta potência para fornecer corrente elétrica de alta densidade. É constituído por três principais partes: o ânodo, cátodo e eletrólito. O ânodo é a peça a ser usinada (polo positivo). O cátodo ou ferramenta (polo negativo) em forma da peça que se quer produzir. O eletrólito é uma solução de água e sal que flui em alta pressão, entre o ânodo e o cátodo, e é responsável pela condução de eletricidade que completa o circuito entre o ânodo e o cátodo, lembrando que a peça e a ferramenta precisam ser condutoras de eletricidade, sendo assim é possível usinar qualquer metal.

2. REVISÃO DA LITERATURA

A revisão da literatura traz uma descrição dos principais conceitos para o desenvolvimento do presente trabalho, tais como: a base da usinagem eletroquímica, os princípios básicos de funcionamento, características do processo e parâmetros que influenciam no processo.

2.1. ELETRÓLISE, A BASE DA USINAGEM ELETROQUÍMICA

A palavra eletrólise vem da língua grega, em que “ eletro” quer dizer corrente elétrica e “ lise” significa quebra. A eletrólise é uma reação não espontânea de decomposição de uma substância, por meio de corrente elétrica. A eletrólise ocorre quando uma corrente elétrica é passada entre dois materiais condutores mergulhados em uma solução aquosa. Uma aplicação da eletrólise é a deposição eletrolítica, processo no qual camadas de metal são depositadas sobre a superfície de um outro metal polarizado positivamente (MCGEOUGH, 1988). O polimento de metais é um exemplo de operação que também pode ser por dissolução eletrolítica. Só que nesse caso, o metal a ser polido é polarizado negativamente numa célula eletrolítica, trata-se de um processo de dissolução anódica. As irregularidades da sua superfície são dissolvidas, e com sua remoção a superfície fica lisa e polida. Esse processo funciona em baixa velocidade ou parado. O processo de usinagem eletroquímica é semelhante ao de polimento eletrolítico, embora as finalidades sejam bem diferentes, no polimento eletrolítico a finalidade é obter um excelente estado de superfície. Enquanto na usinagem eletroquímica, o objetivo é a remoção de material, segundo um perfil apresentado por uma ferramenta (cátodo). Na usinagem eletroquímica, as velocidades de remoção de material exigidas são muito maiores que as necessárias no processo de polimento. Esse problema é contornado trabalhando com densidades elevadas do eletrólito, sob baixas tensões e mantendo-se reduzida a distância (“ gap ”) (KOPELIOVICH, 2013).

2.2. PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO DA USINAGEM

ELETROQUÍMICA

O princípio de funcionamento é baseado na eletrólise, processo químico que ocorre quando uma corrente elétrica contínua é passada entre dois eletrodos mergulhados numa solução líquida condutora. A usinagem eletroquímica ocorre pelo 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, conforme Figura 1 (KOPELIOVICH, 2013).

Figura 1 - Princípio da usinagem eletroquímica.

Fonte: Kopeliovich, 2013.

Para entender como a usinagem eletrolítica é usada para conformar metais, é importante saber o que acontece dentro de uma célula eletrolítica. Imagine uma cuba cheia de eletrólito (solução aquosa de cloreto de sódio) com dois eletrodos de ferro, mergulhados na solução, como mostra a Figura 1. Um dos eletrólitos é polarizado positivamente (ânodo), e o outro é polarizado negativamente (cátodo) (BANNARD, 1977).

2.3. A USINAGEM ELETROQUÍMICA

A peça a ser usinada e a ferramenta constituem o ânodo e o cátodo, respectivamente, mergulhadas num eletrólito, que pode ser uma solução de cloreto de sódio. Uma diferença de potencial, geralmente de 10 volts, é aplicada entre os eletrodos. A Figura 2 mostra a peça e o eletrodo em representação esquemática.

Figura 2 - Princípio da usinagem eletroquímica.

Fonte: Kopeliovich, 2013.

A peça é montada num acessório eletricamente isolada do tanque e outras partes da máquina, ligada ao terminal positivo (anôdo) da fonte de alimentação, e a ferramenta está ligada ao terminal negativo (cátodo). O eletrólito é bombeado numa velocidade aproximada de 3 a 30 m/s, através do espaço entre os eletrodos, para remover os resíduos da usinagem (óxidos), o calor e as bolhas de gás geradas na folga entre eletrodos (KOPELIOVICH, 2013). A direção de avanço mais comumente utilizada é no sentido cátodo para o ânodo, ou seja, a ferramenta avança na direção da peça a uma velocidade constante, cerca de 1,25 mm/min. A distância entre o cátodo e ânodo é mantida

constante. E a forma final da peça adquirido pelo processo de usinagem eletroquímica é a forma da ferramenta (Figura 3) (KOPELIOVICH, 2013). A medida que a usinagem prossegue, e com o movimento simultâneo do cátodo em direção ao ânodo, o espaço entre os eletrodos tenderá a apresentar um valor fixo. Sob essas condições, uma forma aproximadamente complementar aquela do cátodo será reproduzida no ânodo (Figura 3).

Figura 3 - Principio de usinagem eletroquímica.

Fonte: Kopeliovich, 2013.

2.4. IMPORTÂNCIA DO ELETRÓLITO

O eletrólito usado, normalmente é uma salmoura (NaCl). A diferença de potencial (d.d.p.) existente entre a peça e a ferramenta faz com que uma corrente elétrica circule, sendo que o eletrólito fecha o circuito entre a peça (ânodo) e a ferramenta (cátodo). A passagem de corrente através do eletrólito é acompanhada de uma transferência de massa, os cátions se movimentam em direção ao cátodo, e os ânions em direção ao ânodo. Na interface metal-eletrólito, ocorre a oxidação do ânodo com consequente transferência dos átomos do metal, na forma de íons, para o eletrólito. Para este sistema funcionar deve ser aplicado corrente elétrica, e a distância entre a peça e a ferramenta varia de centésimo a décimos de milímetros (BENEDICT, 1987) O papel fundamental do eletrólito é permitir a passagem da corrente elétrica, para tornar possível a dissolução anódica durante toda a usinagem. A natureza do

corresponde à taxa de avanço da ferramenta. Um corte estável é feito com um espaçamento fixo entre a peça e a ferramenta, denominado como a distância de equilíbrio da usinagem (“gap”). Se a taxa de alimentação da ferramenta é reduzida, o avanço da ferramenta será momentaneamente atrasado, aumentando a abertura e, assim, resultando numa redução da corrente. Isto acontece até que uma distância seja estabelecida novamente (MEHER, 2009).

2.5.2 Precisão

Sob condições ideais e com ferramentas projetadas corretamente, a usinagem eletroquímica é capaz de manter a tolerância na ordem de menos 0,02 – 0, milímetros. Repetitividade do processo de usinagem eletroquímica também é muito bom, isto é principalmente, devido ao fato de que o desgaste da ferramenta é praticamente inexistente. Como regra geral, quanto mais complexa for a forma da peça, mais difícil será manter tolerâncias apertadas e maior é a atenção necessária para o desenvolvimento da forma da ferramenta apropriada (MEHER 2009).

2.5.3 Acabamento da superfície

A usinagem eletroquímica sob certas condições pode produzir acabamentos de superfície da ordem de 0,4 μm. Este resultado pode ser obtido pelo corte frontal ou a rotação da ferramenta ou da peça. As variáveis importantes que afetam o acabamento da superfície são: taxa de alimentação, medida de distância (gap), a composição do eletrólito, viscosidade, temperatura e fluxo. Qualquer defeito na ferramenta irá fazer com que a usinagem transmita o defeito na superfície da peça (MEHER, 2009).

2.6. PARÂMETROS OPERACIONAIS

Os parâmetros de operação que estão sob o controle do operador e que influenciam na capacidade do processo de usinagem eletroquímica podem ser descritos como: a) Taxa de alimentação: uma elevada taxa de alimentação resulta em maior taxa de remoção de metal. Ela diminui a distância de equilíbrio de usinagem

(“ gap ”), resultando em melhoria no acabamento superficial e controle de tolerância (MEHER, 2009). b) D.d.p: baixa diferença de potencial diminui a distância de equilíbrio de usinagem (“gap”) e resulta em melhor acabamento superficial e controle de tolerância (MEHER, 2009). c) Fornecimento de energia: A natureza da fonte de energia aplicada pode ser de dois tipos, tais como CC (retificador de onda completa) e pulso CC. Um retificador de onda completa CC fornece tensão contínua, onde a eficiência de corrente depende muito mais da densidade de corrente. A eficiência diminui gradualmente quando a densidade de corrente é reduzida, enquanto que na tensão de pulso (duração de 1 ms e intervalo de 10 ms), a redução é muito mais rápida. Com a diminuição da densidade de corrente a forma da peça fica mais precisa. Neste trabalho foi considerado o processo ECM trabalhando com corrente contínua, mas também existe processo ECM que trabalha com oscilações na corrente elétrica, denominado “ Pulse Electrochemical Machining (PECM)”. (MEHER, 2009). d) Tipo de eletrólito, concentração e fluxo: o eletrólito da usinagem eletroquímica é geralmente classificado em duas categorias: a passividade do eletrólito contendo ânions oxidantes, nitrato de sódio e clorato de sódio, etc., e a não passividade do eletrólito contendo ânions relativamente agressivos, tais como o cloreto de sódio. A passividade dos eletrólitos é conhecida por dar maior precisão de usinagem, devido, à sua capacidade de formar filmes de óxido e evoluir oxigênio na região da corrente de fuga. Na revisão de pesquisas anteriores, na maior parte das investigações, pesquisadores recomendam soluções de NaClO3, NaNO3 e NaCl com diferentes concentrações de usinagem eletroquímica (ECM). O valor de pH da solução do eletrólito é escolhido para assegurar uma boa dissolução do material da peça de trabalho durante o processo de usinagem eletroquímica sem a ferramenta ser atacada (MEHER, 2009). e) Tamanho, forma e material da ferramenta: A ferramenta deve coincidir com a forma desejada da peça de trabalho, dependendo do material e do perfil a ser produzido. Materiais para ferramentas usadas em usinagem eletroquímica devem ter: boa condutividade térmica e elétrica, possuir resistência à corrosão, deve ser altamente usinável e deve ser