Para que a eletroerosão por penetração ocorra, é necessário que os materiais envolvidos sejam condutores ou semicondutores de eletricidade. Tanto a peça quanto os eletrodos estão ligados a uma fonte de corrente contínua por meio de cabos. Normalmente, o eletrodo tem polaridade positiva e a peça polaridade negativa. Existem resultados já tabelados obtidos para eletroerosão de diversos tipos de materiais com eletrodos de cobre eletrolítico, que são os mais comuns, e de cobretungstênio.

Os eletrodos para eletroerosão normalmente são feitos de grafite, mas também podem ser de cobre ou suas ligas. Como o desgaste do eletrodo compromete a tolerância dimensional da peça produzida, deve ocorrer ao menor nível possível. O

Eletroerosão do aço AISI H13

eletrodo de cobre eletrolítico é o mais difundido no Brasil, pelo custo/benefício. Uma das suas vantagens é o preço, mas, dependendo do trabalho requisitado, sofre muito desgaste pelo calor provocado pelo efeito da eletroerosão, que pode variar entre 2.500 e 20.000°C, passando do estado sólido ao líquido. Essa liquefação altera sua formação inicial. O eletrodo de grafite perde para o eletrodo de cobre em dois requisitos principais: o alto custo e a sujeira (resíduo) provocada durante o serviço, pois compromete outros componentes em atuação, como o óleo e os filtros.

A presente pesquisa visa analisar os resultados obtidos utilizando eletrodo de cobre-molibdênio no processo de eletroerosão por penetração erodindo o aço AISI (do American Iron and Steel Institute) H13. Os eletrodos foram compactados por metalurgia do pó convencional no laboratório de transformação mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS).

O aço AISI H13, que serviu como corpo de prova, tem características de boas propriedades de resistência mecânica a altas temperaturas. Ou seja, é ideal para aplicações em matrizes de forjamento em martelo ou em prensas. Os resultados obtidos nos experimentos envolveram rugosidade, taxa de remoção de material e taxa de desgaste do eletrodo. Com os dados levantados e tabulados, será possível realizar a aplicação planejada

Figura 1 – Micrografia do eletrodo com 30% de molibdênio

 

do processo de eletroerosão nestas condições.

No desenvolvimento dessa pesquisa, os resultados dos parâmetros de usinagem para eletroerosão por penetração com eletrodo de cobre-molibdênio em aço AISI H13 serão testados e analisados. O estudo apresentado servirá para estabelecer um início ou não da aplicação destes eletrodos nestas condições.

Metodologia

Descrição do estudo de caso

A presente pesquisa foi iniciada na UFRGS com a compactação e sinterização dos eletrodos construídos com pó de molibdênio e pó de cobre. A matéria-prima de maior interesse na realização deste trabalho para a confecção dos eletrodos é o pó de molibdênio, que foi inserido em três diferentes teores no cobre com o objetivo de alcançar resultados

que satisfaçam a erosão de diversos materiais no campo industrial.

Para efeito do teste, foram inseridos teores de 10, 20 e 30% de molibdênio no cobre. A tabela 1 mostra as massas correspondentes dos materiais utilizados nos ensaios.

Preparação e compactação dos eletrodos

Os pós foram pesados com o objetivo de obter os resultados de suas massas para os cálculos de percentual de cada elemento na mistura como mostra. Para compactação dos eletrodos, foi utilizada uma matriz cilíndrica de aço temperado, com diâmetro interno de 13 mm e 63 mm de altura da cavidade, punção inferior de 15 mm de altura e punção superior de 65 mm de altura. Para aumentar a resistência mecânica dos eletrodos, eles foram encaminhados para sinterização em temperatura aproximada de 900°C ± 1°C.

Material e métodos utilizados para realização dos ensaios

Para a realização dos ensaios, foi utilizada uma máquina de eletroerosão da marca Engemaq, modelo EDM 200 NC. As regulagens desta máquina permitem trabalhar com uma

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Figura 2 – Resultados da taxa de remoção

 

gama de pulso elétrico (TON) com duração de 5 a 300 ms em intervalos (TOFF) de 1 até 18.

Para a realização dos ensaios, foram utilizadas como parâmetros comparativos as tabelas de cobreungstênio do fabricante da máquina. Os parâmetros de entrada utilizados foram duração do pulso elétrico (TON), densidade da corrente média (TS) e taxa de tempo (DT). Os parâmetros de saída, ou seja, os resultados, são a taxa de remoção de material na usinagem, a taxa de desgaste do eletrodo e a rugosidade obtida na usinagem por eletroerosão por penetração. A profundidade de usinagem usada foi de 1 mm em todos os ensaios.

Como o tempo de erosão é muito longo durante os testes, definiu-se utilizar faixas de parâmetros de acabamento, pré-desbaste e desbaste conforme representado na tabela 2. E, ainda, como a finalidade do trabalho não é definir novos parâmetros para utilização de cobre-molibdênio, e sim avaliar os resultados obtidos com a adição do molibdênio, optou-se em delimitar os ensaios. Para cada parâmetro foram utilizados os três tipos de eletrodos fabricados (10, 20 e 30% de Mo), em um total de 21 ensaios e resultados.

Resultados

Os resultados obtidos foram apresentados em forma de análise metalográfica e gráficos, com informações como taxa de remoção de material, taxa de desgaste dos eletrodos e rugosidade superficial encontrada nos ensaios.


 

Análise do ensaio metalográfico

O ensaio metalográfico pode ser definido como a análise de uma peça previamente polida e, em geral, atacada por um reagente específico e apropriado para cada tipo de metal. Por meio desse ensaio é possível, com o uso de microscópios, determinar os constituintes e a textura de um metal.

 

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Figura 3 – Desgaste do eletrodo

 

A figura 1 (pág. 88) mostra a micrografia do eletrodo prensado e sintetizado com 30% de molibdênio na matriz de cobre. Na cor alaranjada pode ser visto o elemento químico do cobre, que é a base dos eletrodos, e na cor cinza, o componente químico molibdênio. Como o processo de preparação da mistura e homogeneização foi realizado manualmente, sem padronização, os grãos de molibdênio não possuem um tamanho constante.

Análise da taxa de remoção de material

O gráfico da figura 2 (pág. 90) apresenta os resultados obtidos nas taxas de remoção dos materiais, com os parâmetros de acabamento TON 2, TS 1, 2, 3 e DT 33. Nota-se que as taxas de remoção foram melhores, comparadas com os resultados da tabela do cobre-tungstênio do fabricante. Pode-se observar também que o resultado das taxas de remoção se mantiveram estáveis com os parâmetros TON 2, DT 33 e TS 2 (colunas vermelhas).

Já com os parâmetros de TON 75, TS 1, 2, 3 e DT 86 (parâmetros de pré-desbaste), as taxas de remoção dos materiais foram inferiores, comparadas com os resultados da tabela cobre-tungstênio do fabricante. Observou-se também que existe uma forte correlação entre o aumento do percentual de molibdênio com a queda de rendimento das taxas de remoção dos materiais.

E com os parâmetros de desbaste TON 150, TS 4 e DT 91, os resultados das taxas de remoção foram bem inferiores comparados com os resultados da tabela do cobre-tungstênio. Também

foi observado que existe uma forte correlação entre o aumento do percentual de molibdênio com a queda de rendimento das taxas de remoção. Ou seja, quanto maior o teor de molibdênio, menores são as taxas de remoção.

Análise da taxa de desgaste do eletrodo

O ideal seria que o eletrodo utilizado no processo de erosão nunca tivesse desgaste. Mas isso é praticamente impossível, dificilmente alguma ferramenta de usinagem não desgasta. Então, o objetivo maior é sempre o menor desgaste, a fim de diminuir os custos de fabricação. Os resultados obtidos no desgaste dos eletrodos com os parâmetros TON 2, TS 1, 2, 3 e DT 33, conforme mostra a figura 3 (pág. 92), demonstra que, com estes parâmetros, as taxas de desgaste dos eletrodos tiveram melhoria significativa, comparadas com os resultados mostrados na tabela do cobre-tungstênio do fabricante da máquina. Observa-se que a tabela do fabricante apresenta um desgaste de 12% em todas as faixas e o pior resultado da pesquisa foi um desgaste de 5% com o eletrodo com 20% de molibdênio.

Com os parâmetros TON 75, TS 1, 2, 3 e DT

 

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Figura 4 – Índice de rugosidade

86 (pré-desbaste), as taxas de desgaste dos eletrodos tiveram um comportamento muito parecido com os da tabela do cobre-tungstênio. A diferença significativa ocorreu no eletrodo com 30% de molibdênio, com o qual a taxa de desgaste foi maior.

Já com os parâmetros TON 150, TS 4 e DT 91 (desbaste), conforme aumentavam os percentuais de molibdênio nos eletrodos, também aumentava a taxa de desgaste.

Análise da rugosidade superficial

Normalmente, as superfícies de peças erodidas apresentam ir regularidades provocadas por sulcos ou marcas deixadas pelo eletrodo que atuou sobre a superfície da peça. Por isso, a importância de se medir a rugosidade (acabamento da superfície) de cada eletrodo ensaiado. A figura 4, com os parâmetros TON 2, TS 1, 2, 3 e DT 33, indica que o índice de rugosidade Ra dos eletrodos ensaiados registra melhores resultados em comparação com os da tabela do fabricante. Além disso, manteve-se estável conforme o aumento do percentual de molibdênio.

Porém, no decorrer dos ensaios, ocorreu a formação de defeitos chamados de protuberâncias, que são esses fragmentos em alto-relevo identificados pelas setas na figura 5 (pág. 96).

Com os parâmetros TON 75, TS 1, 2, 3 e DT 86 (pré-desbaste) foi obtido um índice de rugosidade bem melhor do que a tabela do fabricante. É


possível afirmar que os valores encontrados nas medições mantiveram-se estáveis durante o processo conforme aumentava o percentual do molibdênio.

Com o uso dos parâmetros de pré-desbaste também foram geradas as protuberâncias. Ou seja, o aumento dos valores parametrais até diminuíram os defeitos, mas não os eliminaram.

É inegável que, com os parâmetros TON 150, TS 4 e DT 91 (desbaste), o índice de rugosidade obtido nos ensaios do cobre-molibdênio foi muito melhor do que o da tabela do fabricante. Com estes ensaios,

 

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Figura 5 – Imagem de protuberâncias nos ensaios

foi obtida uma média de rugosidade de 3,9 mm, enquanto a tabela de rugosidade do cobre-ungstênio indica 27 mm.

Mas também não há como negar que os defeitos foram mantidos. As formações de protuberâncias ocorreram novamente no decorrer dos ensaios, o que, com certeza, prejudicou muito os resultados finais.

A tabela 3 (pág. 94) foi montada para facilitar a interpretação dos resultados, com um resumo que define as influências de cada parâmetro de entrada com os resultados obtidos nos testes.

Conclusão

Após a realização de todos os ensaios propostos é possível concluir que a aplicação deste método de usinagem nas condições estabelecidas é tecnicamente viável, analisando os gráficos anexados a este artigo. Porém, foram apresentadas algumas dificuldades durante a eletroerosão. Percebe-se que a máquina não teve um comportamento normal de trabalho. O processo de erosão foi instável, conforme observado pelos leds luminosos do painel da máquina. Os leds do equipamento quase sempre oscilavam na escala vermelha, sendo que o correto é não passar da verde.

Pode-se concluir que o aumento do percentual de molibdênio na taxa de remoção de material com os parâmetros de TON 2, TS 1, 2, 3 e DT 33 obteve resultado positivo, o que não aconteceu com os parâmetros de TON, TS e DT mais elevados. Porém, a taxa de desgaste do eletrodo com o aumento do molibdênio teve um resultado satisfatório, a sua rugosidade não teve influência com este parâmetro. Por outro lado, houve um alto índice de protuberâncias.

Com o aumento do TON e DT, pode-se concluir que a taxa de remoção de material, a taxa de desgaste do eletrodo e a rugosidade tiveram um resultado negativo. Já o aparecimento de

protuberâncias foi menor.

Com o aumento do TS, conclui-se que a taxa de remoção de material teve um resultado positivo, sendo que a taxa de desgaste do eletrodo e a rugosidade tiveram um resultado negativo. Salienta-se que o aparecimento de protuberâncias não teve influência com este parâmetro.

Também se pode concluir que o aparecimento de protuberâncias e a não estabilidade do processo de erosão foram devido às porosi dades que se encontram no interior dos eletrodos. Um dos motivos que justifica essas porosidades é a temperatura de sinterização, que foi de 900°C. A literatura recomenda a sinterização a 2/3 da temperatura de fusão do metal base, que é o cobre a 1.083°C. Então, a temperatura de fusão é de 722°C, mas testes preliminares indicaram altíssimos índices de porosidade, devido à falta de solubilidade entre o cobre e o molibdênio.

Referências

  1. Aliardi, J. S.; Vargas, J. R.; Rocha, P. R. B.: Estudo da performance de eletrodos de cobre e grafite no processo de EDM. Trabalho de conclusão de Curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica, Instituto Federal Sul-Rio-Grandense, Sapucaia do Sul, RS, 2010.

  2. ASM Metals Handbook: Properties and selection nonferrous alloys and specialpurpose materials. V. 2.

  3. ASM Metals HandBook: Powder metal technologies and applications. V. 7.

  4. Dieter, G. E.: Mechanical metallurgy. EUA, 1981. Traduzido por Antônio Sérgio de Souza e Silva, Luiz Henrique de Almeida e Paulo Emílio Valadão de Miranda, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2a ed.

  5. Ferraresi, D.: Fundamentos da usinagem dos metais. São Paulo: Edgard Blucher, 1970.

  6. Santos, I.: Análise dos parâmetros de entrada na eletroerosão de penetração da liga de titânio TI- AL- 4V. Dissertação de Mestrado Engenharia Mecânica e de Materiais, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2010.

  7. Schmidt, I.; Sabo, S. C.: Usinagem por eletroerosão. Porto Alegre, Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica, Faculdade de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Estado do Rio Grande do Sul, 2008.

  8. Silva, J. C.: Sistema especialista aplicado à técnica de usinagem por eletroerosão. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, Universidade de Taubaté, Taubaté, SP, 2004.


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