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Módulo: Processo de Fabricação
X – PROCESSOS DE USINAGEM ESPECIAIS.
Usinagens Especiais são processos de usinagem alternativos, que consistem da remoção de
material, porém não executados de forma tradicional (fresagem, torneamento, furação, etc).
Estes processos, no geral, utilizam-se de ferramentas de geometria não-definida aliada a
fenômenos físicos e químicos, para conformar peças com o arrancamento de material.
Podemos citar alguns destes processos, como:
Usinagem por Eletroerosão;
Usinagem por Jato de Água;
Usinagem por Arco Plasma;
Usinagem por Ultra som;
Usinagem a LASER;
Polimento;
Eletropolimento;
Jateamento;
Tamboreamento;
Usinagem Química (ou Quimo-erosão).
1. Usinagem por Eletroerosão.
No processo de usinagem por eletroerosão, a peça sofre um desgaste devido à passagem de
uma corrente elétrica contínua, em forma de descargas constantes (arcos voltaicos), que
erodem as moléculas do material (ferroso ou não) através do rompimento da ligação entre elas.
Para ocorrer a eletroerosão é necessário, além do material, um eletrodo e um fluído dielétrico
(isolante) para que o circuito esteja aberto e haja as descargas. Durante o processo são
formadas bolhas de gás resultante da vaporização do dielétrico.
A eletroerosão é normalmente indicada para processos onde exige-se a usinagem de peças
complexas, com geometrias irregulares, ou em materiais de alta dureza, com ponto de fusão
bem definido, de difícil usinagem por processos convencionais.
Ela é limitada pela necessidade desses materiais serem condutores de eletricidade
independentes de serem metálicos ou não.
Processo.
Aplicando-se uma diferença de potencial (em corrente contínua) entre duas placas condutoras
de eletricidade, chamadas de eletrodo e peça, separadas por uma pequena distância (de
0,012mm a 0,050mm) denominada GAP, ocorrem descargas elétricas entre elas. Na verdade,
neste espaço entre a peça e o eletrodo, circula o fluído dielétrico que se torna eletrolítico na
forma gasosa, no instante de iniciação do arco voltaico.
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No instante da descarga elétrica, o eletrodo e a peça não estão em contato devido ao meio
dielétrico que os envolve. Ao iniciar o ciclo de erosão, na pequena região de descarga elétrica,
a potência despendida por unidade de área pode chegar até 1000 W/m², e a temperatura até
12.000°C, assim o fluido dielétrico evaporará, tornando-se eletrolítico e no meio gasoso a
pressão poderá alcançar as marcas de até 200 atm.
Essa descarga elétrica durará alguns milionésimos de segundo. Este período é denominado de
Ton.
Cessada a descarga elétrica, inicia-se, por alguns milionésimos de segundo, o período que
ocorrerá a emersão dos gases eletrolíticos, denominado período Toff.
Desse modo, os espaços ocupados pelo gás serão preenchidos pelo fluido dielétrico em
temperatura muito menor que a região em usinagem, assim, com o choque térmico, ocorrerá
na região em questão uma micro deformação por contração, e essa, responsável pela
desagregação das partículas que se uniam a peça, dando início ao processo de usinagem ou
corte.
Existem basicamente 2 (dois) tipos de processos de eletroerosão: Eletroerosão Por
Penetração e Eletroerosão a Fio.
Eletroerosão por Penetração.
Consiste em um processo onde a peça permanece submersa em um líquido (dielétrico) e,
portanto, há rápida dissipação do calor gerado no processo. Não existe força de corte, pois não
há contato entre a ferramenta e a peça. Por isso não se formam as tensões comuns dos
processos convencionais de usinagem, onde o arrancamento de material se faz pelo atrito da
ferramenta de corte com a peça.
O processo de eletroerosão por penetração tem como características o fato de a imagem do
eletrodo ser transferida a peça (impressão de um negativo), por este motivo sua grande
aplicação em moldes e matrizes de impressão.
No processo de usinagem por eletroerosão a peça e eletrodo são mergulhados num recipiente
que contém fluído não condutor de eletricidade (Dielétrico). A peça e eletrodo estão ligados a
uma fonte CC, através de cabos ligados a um interruptor. Geralmente, o eletrodo tem
polaridade positiva (+) e a peça polaridade negativa (-).
Ligado o interruptor, forma-se uma tensão elétrica entre o eletrodo e a peça. No início, não há
passagem de corrente, tampouco a formação de arcos, já que o dielétrico atua como isolante.
Aproxima-se o eletrodo da peça, a uma distância determinada. Isto faz com que o dielétrico
passe a atuar como condutor, formando uma “ponte” de íons entre o eletrodo e a peça.
Produz-se, então, uma centelha (faísca) que superaquece a superfície do material dentro do
campo de descarga, fundindo-a. Estima-se que, dependendo da intensidade da corrente, a
temperatura na região da faísca possa variar de 2.500°C à 50.000°C.
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O processo de erosão ocorre simultaneamente na peça e no eletrodo, sendo que o calor maior
ficará com a peça, e consequentemente nesta se fará o maior dano. A passagem de corrente é
interrompida pelo afastamento do eletrodo. O ciclo recomeça com a reaproximação do
eletrodo, provocando uma nova descarga.
Figura 1. Detalhe de um Processo de Eletroerosão por Penetração.
Figura 2. Detalhe de uma Erosão por um Eletrodo de Eletroerosão.
Aplicações:
Indústria automotiva.
Indústria de gravação e estampagem
Metais de elevada dureza
Peças com geometria complexa
Indústria de moldes e matrizes
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Eletroerosão a fio.
Os princípios da eletroerosão a fio são semelhantes aos da eletroerosão por penetração,
porém, neste processo, um fio (eletrodo) eletricamente carregado, atravessa a peça submersa
em fluido dielétrico, em movimentos constantes, provocando descargas elétricas entre o fio e a
peça, cortando o material.
Para permitir a passagem do fio, é feito um pequeno orifício no material a ser usinado. O corte
a fio é programado por computador (CNC), o que permite o corte de perfis complexos e com
exatidão.
Tem como vantagens a ausência de forças de corte e tensões comuns dos processos
convencionais de usinagem, pois não há contato físico entre o fio e peça, a rápida dissipação
de calor, pelo fato de a peça permanecer submersa em líquido e a dureza do material da peça
não tem efeito negativo na velocidade de corte.
Aplicações:
Confecção de matrizes, fieiras para trefilação e micro EDM;
Fabricação de ferramentas de metal duro;
Confecção de placas de guia e porta-punções;
Trabalhos em materiais muito duros e de difícil usinagem pelos processos
tradicionais.
Figura 3. Detalhe de um Processo de Eletroerosão a Fio.
Eletrodos.
Em princípio, todos os materiais condutores de eletricidade podem ser usados como eletrodo.
Mas como o preço de confecção do eletrodo representa uma parcela significativa nos custos do
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processo, é importante escolher com cuidado o material a ser utilizado e o método de
usinagem.
Os melhores materiais para eletrodos são os que têm elevados pontos de fusão e são bons
condutores de eletricidade. São divididos em 2 (duas) categorias:
Metálicos: os mais utilizados são o cobre eletrolítico, o cobre-tungstênio e o cobre
sinterizado. Têm ótimo acabamento e mínimo desgaste durante o processo.
Não-metálicos: grafite (principal). Fácil usinagem, mas muito quebradiço. Conservam
suas qualidades mecânicas a altas temperaturas, praticamente não se deformam e
são leves. Porém são abrasivos e não podem ser moldados ou conformados.
Fluidos Dielétricos.
Os fluidos mais utilizados são: o óleo mineral, o óleo sintético, a água deionizada e o
querosene.
O querosene requer cuidados especiais, pois é inflamável e exala um odor forte, prejudicial à
saúde e ao ambiente. Em função de legislações ambientais, e com a proibição em muitos
estados e países, o querosene passa a ser abolido em grande parte dos processos industriais.
Os óleos sintéticos e minerais, são sem sombra de dúvida o mais utilizados, dado a razões de
custo, facilidade na manipulação e menor agressão ao operador e ao meio ambiente.
Os dielétricos têm como principais características controlar a potência de abertura da descarga
elétrica, lavagem do GAP (vazio entre a peça e o eletrodo) e proporcionar a refrigeração das
superfícies de contato.
A limpeza do GAP é muito importante para o rendimento do processo, pois retira as partículas
removidas durante o processo. Uma vez que estas partículas acumularem, haverá diminuição
da resistência e formação de descargas elétricas anormais, prejudicando o processo.
A limpeza pode ser realizada de diversas formas. Dentre elas estão:
Limpeza por injeção – um jato do mesmo dielétrico é injetado por meio do eletrodo
(num eletrodo previamente projetado com canal de injeção), agindo sobre a superfície
erodida, expulsando o material erodido;
Limpeza por aspiração – um sugador é posicionado na peça, ou região próxima, qual
retira os detritos da erosão, encaminhando-os a um filtro;
Limpeza por jato lateral – é posicionado um jato, na região lateral da peça x eletrodo,
qual lança uma torrente do mesmo fluído dielétrico, expulsando os detritos erodidos;
2. Usinagem a Jato de Água.
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Desde os primórdios o homem busca na utilização de recursos naturais para satisfazer as suas
necessidades laborais. Dentre os recursos naturais em maior abundância, a água tem-se
mostrado uma grande aliada nessa busca.
Em 1968, Norman C. Franz da Universidade de Columbia (EUA) patenteou um sistema de
corte com água pressurizada. Inicialmente, o processo era utilizado para corte de madeiras,
sendo que a introdução de materiais abrasivos e o desenvolvimento de sistemas de
pressurização e bicos, tornou o processo aplicável a quase todos os materiais de uso industrial.
O corte com jato de água (em inglês Jet-Cutting Water) é uma das variedades
a hidrodemolição, que consiste no corte de materiais com água a extrema pressão,
combinando esta pressão com a incorporação de algum material abrasivo, tais como: o
carborundum (carbeto de silício), o coríndon ou a sílica.
Processo.
Esta técnica consiste na projeção sobre a superfície do material ser cortado de um jato de água
a uma pressão entre 2.500 e 3.000 bar, com um fluxo de água entre 20 e 40 l.p.m.,
incorporando por efeito Venturi um abrasivo ao jato de água
Figura 4. Detalhe de um Processo de Jet-Cutting Water.
A água pressurizada, ao entrar em contato com a peça/material, cria uma onda de choque,
qual podemos definir como uma erosão contínua. Na medida em que a água pressurizada
avança sobre a superfície, e por consequente a espessura, o material é arrancado e
direcionado a mesa.
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A máquina é composta por um sistema de bombeamento e pressurização, dotado de bombas
alternativas de pistões, de alta tecnologia, que elevam a pressão da água até 4000 bar, e a
direcionam a um sistema de controle e direcionamento. A máquina é composta ainda por:
sistema de coordenadas CNC, computador CNC, sistema de filtragem da água, cabeçote de
corte, câmara de mistura, sistema alimentador de abrasivos e bico de corte (esquicho).
A grande vantagem deste processo, é que não há limitação quanto ao tipo de material a ser
cortado, já que a mesma máquina pode cortar placas de elastômeros, plásticos, chapas de aço
e madeira.
A limitação se dá na densidade e dureza do material, onde que quanto mais denso e duro o
material, menor é sua espessura útil para o corte com o jato.
Variáveis que afetam o corte por jato de água com abrasivo
Vários fatores influenciam o corte por jato de água com abrasivo:
Pressão – A pressão determina o nível de energia das moléculas de água. Quanto maior a
pressão, mais fácil fica vencer a força de coesão das moléculas do material que se pretende
cortar.
Fluxo – O fluxo de água determina o índice de remoção do material. Há dois modos de
aumentar o fluxo de água: aumentando a pressão da água ou aumentando o diâmetro do
orifício da safira.
Diâmetro do jato – O diâmetro do bico de corte para sistemas de corte por água pura varia de
0,5 mm a 2,5 mm. Jatos de diâmetros menores também podem ser produzidos, para
aplicações específicas. Para o corte de papel, o diâmetro do jato é de 0,07 mm. Quando se
trata do corte por jato de água e abrasivo, os menores diâmetros situam-se em torno de 0,5
mm.
Abrasivo – A velocidade de corte do sistema é aumentada quando se aumenta o tamanho da
granulação do abrasivo. Em compensação, abrasivos com menores tamanhos de grãos
produzem uma superfície cortada com melhor qualidade. Porém, partículas muito finas de
abrasivo são praticamente ineficientes. Quanto mais duro for o abrasivo, mais rapidamente se
desgasta o bico de corte. Fluxos elevados de abrasivos também aceleram o desgaste do bico
de corte. O fluxo alto de abrasivos acarreta um custo operacional elevado, pois o custo do
abrasivo representa uma parcela importante no custo total dos sistemas de corte por jato de
água.
Distância e velocidade de corte – À medida que sai do bico, o jato de água se abre. O jato de
água com abrasivo apresenta maior abertura, por ser menos uniforme. Isso explica porque a
distância entre o bico e o material é sempre muito pequena, abaixo de 1,5 mm. A abertura do
jato pode ser reduzida, com a diminuição da velocidade de saída do fluido, com conseqüente
diminuição da velocidade de corte.
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Figura 5. Máquina de Corte Jet-Cutting Water, CNC.
3. Usinagem por Plasma (Arco Livre e Tocha de Plasma).
Desde os mais tenros tempos de estudos, aprendemos que existiam 3 (três) estados da
matéria: sólido, líquido e gasoso. Em exemplo, usando uma das mais conhecidas substâncias,
a água (H2O), estes estados são caracterizados como: gelo, água e vapor. Quando a energia,
como calor, é aplicada ao gelo, o gelo se derrete se tornando água, e quando for aplicada
maior energia ela se evapora, e vice-versa..
A água se transforma do estado sólido, gelo, para o estado líquido, água. Quando mais energia
é aplicada à água, a água vaporiza tornando-se vapor. A água (H2O) muda do estado líquido,
água, para o estado gasoso, vapor (H2 & O2). Finalmente, quando calor é aplicado aos gases,
estes gases ionizam. Os gases agora são eletricamente condutores e este estado da matéria é
chamado plasma. A figura abaixo mostra esquematicamente esta seqüência.
Figura 6. Os Diferentes Estados da Matéria.
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O constantemente denominado “4º estado da matéria” é chamado PLASMA. Este gás ionizado
com propriedades é a base fundamental em que todos os sistemas plasma operam.
Corte a plasma é uma técnica de corte de chapas metálicas ou outros materiais, onde o corte
ocorre através de um processo similar à Soldagem por arco elétrico com gás de proteção.
Desde sua invenção na metade da década de 50, o processo de corte por plasma incorporou
várias tecnologias e se mantém como um dos principais métodos de corte de metais. Porém,
até poucos anos atrás, o processo detinha uma reputação duvidosa na indústria de corte de
metais devido ao elevado consumo dos itens componentes do sistema, o ângulo de corte e a
inconsistência do processo. Os recentes desenvolvimentos agrupando tecnologias em
sistemas de cortes manuais e mecanizados proporcionaram um marco importante na história
do corte plasma. Os plasmas manuais mais modernos são equipados com sistema de jato
coaxial de ar, que constringe ainda mais o plasma, permitindo um corte mais rápido e com
menos ângulo. O projeto de escuto frontal permite ao operador apoiar a tocha na peça mesmo
em correntes elevadas na ordem de 100A.
Nos sistemas mecanizados, utilizados principalmente em manipuladores XYZ comandados por
controle numérico, foram incorporam tecnologias que aumentam a consistência do processo e
prolongam a vida útil dos componentes consumíveis através de um controle mais eficiente dos
gases e do sistema de refrigeração respectivamente. O processo de corte plasma, tanto
manual como mecanizado ganhou espaço considerado na indústria do corte de metais. Mesmo
descontado o crescimento desta indústria, a participação do corte plasma teve substancial
ampliação devido a sua aplicação em substituição ao processo oxi-corte, em chapas grossas, e
ao LASER em chapas finas ou de metais não ferrosos.
O processo de corte plasma foi criado na década de 50 e tornou-se muito utilizado na indústria
devido sua capacidade de cortar qualquer metal condutor de eletricidade principalmente os
metais não ferrosos que não podem ser cortados pelo processo oxi-corte. O processo consiste
na utilização do calor liberado por uma coluna de plasma, resultante do aquecimento – por
mais de um arco elétrico - de um gás, em alta vazão rotacional. Este plasma é transferido ao
metal a ser cortado. A parte do metal se funde pelo calor do plasma e este metal é expulso
com auxílio do gás em alta vazão. Em 1968 surge a primeira grande inovação, a injeção de
água entre o bico e um bocal frontal, com o objetivo de ampliar a vida útil dos consumíveis e na
qualidade de corte.
Em 1983 torna-se industrialmente viável a utilização do plasma com oxigênio para materiais
ferrosos. Com o oxigênio como gás de plasma o calor do processo provém de duas fontes: a
do plasma e da reação exotérmica da oxidação do ferro. A resultante é um aumento
considerável de velocidade e qualidade de corte. Em 1989 lança-se o bocal protetor
eletricamente isolado que minimiza a formação de arco duplo e aumenta a vida útil dos
consumíveis. Para melhorar a vida útil dos consumíveis, principalmente nos processos com o
uso do oxigênio como gás de plasma, em 1990 são incorporadas seqüências lógicas nos
sistemas plasma com ajustes específicos de corrente e vazão e pressão de gás nos intervalos
de início e final de corte, conhecido como tecnologia Long Life. Esta tecnologia conta ainda
com o aprimoramento do projeto do eletrodo. Com um inserto de háfnio de menor diâmetro,
amplia-se a capacidade de refrigeração do eletrodo. Nesta mesma época surge o plasma de
alta definição que revoluciona o processo plasma e o torna aplicável em peças com maiores
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exigências de qualidade de corte. O processo utiliza um orifício reduzido no bico e um canal
extra para saída de excesso de gás plasma resultando num corte praticamente sem chanfro e
sem geração de escória.
Em 1993 é lançado o processo com jato de ar auxiliar aplicado co-axialmente ao jato de
plasma. Esta força de constrição aumenta a eficiência do jato proporcionando um aumento de
velocidade e redução do ângulo de corte. Em 2004 são incorporadas novas tecnologias ao
processo plasma de alta definição com o objetivo de melhorar o desempenho e consistência do
processo. O resultado foi a criação do processo HyPerformance ou plasma de alto
desempenho. Com todo este avanço tecnológico, o plasma torna-se um dos processos mais
importantes na indústria do corte do país. Atualmente o plasma vem sendo usado tanto para
acompanhar o crescimento da indústria, bem como na substituição de processos mais lentos
ou com maiores custos operacionais.
Figura 7. Detalhe de um Bico de Corte Arco Plasma Comum.
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Figura 8. Detalhe de um Bico de Corte Arco Plasma Com Água.
A principal vantagem deste sistema reside na sua redução do risco de deformação devido à
compactação térmica da zona de corte. Economia é também o valioso gás aplicável, uma vez
que, a priori, é possível também, embora você não deve atacar o eletrodo ou a peça. Não é
aconselhável utilizar o cortador de plasma em pequenos pedaços, devido à temperatura é tão
elevada que a peça de trabalho torna-se deformado.
Esta tecnologia moderna é utilizável para o corte de qualquer material metálico condutor, e
mais especialmente em aço estrutural, aço inoxidável e metais não ferrosos. Corte a plasma
pode ser um processo complementar para trabalhos especiais, tais como a produção de
pequenas séries, atingindo tolerâncias apertadas ou acabamentos melhorados. Existe também
um material de baixo térmica afetado pela concentração de alta energia do arco de plasma.
Processo.
O início do corte é praticamente instantâneo e produz uma deformação mínima da peça de
trabalho. Este processo permite a usinagem em altas velocidades de corte e menos tempo de
inatividade ocorre, (sem pré-aquecimento é necessário para perfuração). Permite corte
espessuras de 0,5 a 160 mm, com unidades de plasma até 1000 Amperes. De corte de plasma
também permite que o aço estrutural usinado posa ser chanfrado com até 30 milímetros. Uma
das características mais notáveis é a alta qualidade e acabamento do corte.
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Figura 9. Detalhe de um Corte Manual a Arco Plasma.
Corte por Plasma em um Centro de Usinagem CNC.
Os equipamentos necessários para fornecer esta energia é um gerador de alta freqüência
alimentado por eletricidade, gás para gerar a temperatura da chama, e mais tarde para ionizar
(argônio, hidrogênio, nitrogênio), um porta-eletrodo e eletrodo, dependendo do gás que pode
ser tungstênio, háfnio ou zircônio, e, claro, a peça de trabalho.
Figura 10. Máquina de Corte Arco Plasma CNC.
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Figura 11. Tabela com os Tipos de Gases e Particularidades dos Processos.
4. Usinagem por Ultra-som
A usinagem por ultrassom é um processo que permite executar penetrações de formas
variadas em materiais duros, frágeis e quebradiços, como o vidro, a cerâmica e o diamante,
que dificilmente seriam obtidas pelos processos convencionais.
Processo.
Na usinagem por ultrassom, uma ferramenta é posta para vibrar sobre uma peça mergulhada
em um meio líquido, com pó abrasivo em suspensão, numa frequência que pode variar de 20
kHz a 100 kHz.
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O “martelamento” produzido pelas vibrações é capaz de erodir o material, formando uma
cavidade com a forma negativa da ferramenta, isto é, sua impressão.
Não há contato entre a ferramenta e a peça, já que as ondas ultrassônicas viajam e se
propagam no espaço entre a ferramenta e a peça, e com o auxilio do liquido que os circundam.
A ferramenta não precisa ser muito dura, podendo ser feita de material fácil de usinar, uma vez
que não entra em contato com a peça.
Uma variação desse processo de usinagem é obtida com o uso de uma ferramenta rotativa,
que aumenta a capacidade de remoção do material erodido. Quando conjugado com uma
mesa do tipo CNC, o equipamento com ferramenta rotativa possibilita a obtenção de figuras
complexas, por contorneamento.
O processo de usinagem por ultra-som aproveita a energia de vibração mecânica, mecânica
comunicada aos grãos de abrasivo, que vibram na mesma direção do sonotrodo.
Sonotrodo.
O sonotrodo é sonotrodo constituído por uma barra metálica, na qual se ativam as vibrações
ultra-sonoras, no sentido do seu eixo. Na ponta do sonotrodo é fixada a ferramenta, com a
forma inversa da que se deseja dar à peça a ser usinada.
As vibrações mecânicas só se propagam através de um meio material, nunca no vazio. Essas
vibrações transmitem-se por excitação das moléculas, que oscilam ao redor de sua posição de
repouso.
Figura 12. Partes de Um Conjunto Sonotrodo e Ferramenta.
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Figura 13. Diversos Tipos de Ferramentas e Sonotrodos.
Um ponto em oscilação, partindo de uma posição extrema e voltando a esta posição, completa
um ciclo e ciclo tem uma amplitude (A) determinada. O número de ciclos efetuados por unidade
de tempo, ou freqüência das oscilações, é uma característica essencial das vibrações. A
amplitude é dada pelo máximo afastamento do ponto em relação a sua posição de equilíbrio.
Figura 14. Gráfico com de Um Ultra-som.
O conjunto de vibrações locais e sua propagação formam uma onda de vibrações. As ondas se
propagam através dos materiais a uma velocidade constante. Esta velocidade depende da
natureza do material e do tipo de onda considerado. Para as aplicações industriais, as ondas
longitudinais são as mais utilizadas.
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Geração dos Ultra-sons.
A maior parte dos corpos materiais possui certas propriedades elásticas. Isto quer dizer que, se
uma parte do corpo é forçada além de sua posição natural, a reação do corpo tende a trazer
esta parte de volta para o seu lugar. Produz-se, assim, um movimento de oscilação comparável
ao de um pêndulo de mola.
Cada corpo tem uma freqüência própria de vibração. A produção dos ultra-sons utiliza essa
capacidade de vibração que os corpos apresentam. Uma das formas possíveis de produzir
ultra-som vale-se do efeito Joule magnético, também conhecido como magnetostrição.
Magnetostrição .
Na máquina de ultra-som para usinagem, a parte mais importante da cabeça ultra-sonora, que
funciona segundo o princípio da magnetostrição, é constituída por uma haste em liga de níquel,
que é envolvida por uma bobina, percorrida por uma corrente de alta freqüência. O campo
magnético gerado pela passagem da corrente através da bobina provoca a vibração da haste
metálica, no sentido do eixo.
Esta haste encontra-se em um banho de óleo, que é resfriado por uma serpentina em cobre, na
qual circula água.
O efeito assim obtido é muito pequeno, mas pode ser aumentado desde que se consiga
produzir a vibração em ressonância com as vibrações próprias da barra.
Características do Equipamento.
Uma máquina de ultra-som para usinagem é constituída, basicamente, pelos seguintes
componentes:
a) Um gerador de um gerador corrente de baixa freqüência;
b) Um conversor eletroacústico que consiste de um transdutor eletroacústico, isto é, um
dispositivo que transforma as oscilações elétricas em ondas ultra-sonoras;
c) Um amplificador, um amplificador feito geralmente de titânio, que tem por função
transmitir e aumentar as amplitudes das vibrações do transdutor sobre o qual está
fixado;
d) Uma ferramenta de usinagem, uma ferramenta de usinagem facilmente
intercambiável, que pode ser oca ou maciça.
O conjunto é montado sobre uma guia de precisão, que se desloca verticalmente, sem jogo
nem atrito, e é equilibrado por um sistema de contrapeso. O equipamento inclui um dispositivo
de regulagem de pressão sobre a peça a ser usinada, montado na parte exterior da máquina.
Nas máquinas mais antigas, um relógio comparador de leitura direta permitia controlar
permanentemente a profundidade de penetração da ferramenta. Atualmente, esse controle é
feito por sistemas eletrônicos.
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3°
A peça a ser usinada é fixada sobre o tanque de abrasivo que pode ser adaptado a uma mesa
de coordenadas, com movimentos comandados por um micrômetro. Este conjunto é
centralizado sob a ferramenta.
Como abrasivo pode-se utilizar: o carbeto de boro, carbeto de silício, óxido de alumínio ou
diamante em pó, com tamanhos de grãos variando entre 0,5 mm e 0,002 mm.
O material abrasivo deve ser, no mínimo, tão duro quanto a peça usinada. Mesmo assim, parte
do próprio abrasivo acaba sendo erodida durante a usinagem, de modo que a área de
usinagem deve ser continuamente alimentada por um suprimento adicional de grãos. Este
procedimento contribui para resfriar a suspensão durante a usinagem e facilita a remoção do
material erodido.
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Figura 15. Máquina de Usinagem por Ultra-som.
Considerações Sobre a Usinagem Por Ultra-Som
A usinagem por ultra-som permite cortes limpos, porque as vibrações ultra-sônicas produzem a
fusão do material e, ao mesmo tempo, soldam as pontas das fibras cortadas.
Embora furos, ranhuras e formas irregulares possam ser usinadas por ultra- som em qualquer
material, pesquisadores sugerem que o processo seja aplicado, preferencialmente, em
materiais duros e quebradiços, envolvendo áreas de superfícies inferiores a 1000 mm2, onde
devem ser produzidas cavidades rasas e cortes.
Em outras palavras, a usinagem por ultra-som, assim como outros métodos de usinagem,
também tem suas limitações e representa um vasto campo a ser pesquisado e aperfeiçoado.
Figura 16. Usinagem por Ultra-som.
5. Usinagem por LASER.
A palavra LASER é n verdade uma sigla de Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation, que em português significa: “Luz Amplificada Pela Emissão Estimulada de
Radiação”.
O corte a LASER é um processo que se dá através da estimulação molecular e da posterior
transmissão das moléculas para níveis mais baixos de energia (o “esfriamento” do material por
um meio ativo, sendo ele sólido, líquido ou gasoso).
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Inicialmente, ocorre a estimulação radioativa da luz, que é amplificada, produzindo um potente
feixe de luz. Ao ser aplicado, esse feixe (que é energia luminosa concentrada em um raio
único) irá alterar a composição molecular de uma superfície estável (ou seja, do material a ser
trabalhado), possibilitando, então, o corte perfeito dessa superfície (seguido da etapa de
esfriamento).
Geralmente, em um processo de corte a LASER típico, são focados de 1000 a 2000 watts de
energia – potência suficiente para efetuar o corte nos materiais mais usuais (o processo
trabalha uma variedade grande de materiais). A profundidade de corte atingida fica em torno
dos 20 mm.
Dentre as muitas vantagens oferecidas, é importante destacar que o corte a LASER é um
processo que aumenta a qualidade da produção, sendo recomendado para os projetos que
exigem medidas e padrões exatos (que geralmente não seriam atingidos com a utilização de
ferramentas convencionais).
Figura 17. Esquema e Funcionamento de um Bico de Corte LASER.
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Figura 18. Bicos de Corte em Funcionamento no Corte LASER.
Em 1905, Albert Einstein, com o auxílio do trabalho de Max Planck, postulou que a luz é
formada por pacotes discretos e bem determinados de energia (quanta, plural de quantum, em
latim), mais tarde chamados de fótons.
Em 1913 o dinamarquês Niels Bohr apresentou seu modelo de átomo, onde os elétrons
orbitam o núcleo em níveis bem determinados, sendo que só podem "saltar" de um nível para
outro se receberem ou emitirem fótons com a quantidade de energia (que pode ser expressa
pelo seu comprimento de onda) exata, exigida para o salto completo.
Em 1925, Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg modificaram a forma de se interpretar o
modelo de átomo de Bohr, postulando que os elétrons são partículas que apresentam
propriedades de ondas, cujo comportamento pode ser totalmente explicado pelas funções de
onda, desenvolvidas por Schrödinger, que preveem, inclusive, os diferentes níveis que o
elétron pode assumir, no átomo, e as exatas energias associadas. Isso significa que cada tipo
determinado de átomo pode ser excitado (ter a
energia de seu último elétron aumentada, com
um conseqüente salto desse elétron, para
determinado nível superior) sempre em
quantidades bem definidas, através da
absorção de um tipo determinado de fóton, de
comprimento de onda específico.
Em 1953, Charles Hard Townes, James P.
Gordon e Herbert J. Zeiger produziam a
primeira MASER (Microwave Amplification
Through Stimulated Emission of Radiation), um
dispositivo similar ao LASER, que produz
microondas, em vez de luz visível. O MASER de
Townes não tinha capacidade de emitir as ondas de forma continua. Nikolai Basov e
Aleksander Prokhorov, da União Soviética, ganhadores do Prêmio Nobel em 1964, trabalharam
de forma independente, em um oscilador quantum e resolveram o problema da emissão
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continua, utilizando duas fontes de energia, com níveis diferentes. Mais tarde, o MASER foi
adaptado para emitir luz visível, então batizado de LASER.
Figura 19. Exemplo de um Corte de um Perfil Metálico pelo Processo de Corte a LASER.
Processo.
A máquina de corte a LASER é um equipamento que utiliza alta tecnologia. Ela funciona
integrada a um sistema CAD/CAM. Nesse sistema, desenvolve-se um minucioso projeto;
depois, é tomado como guia um arquivo do desenho do projeto, que será executado no
material trabalhado. O processo é rápido e eficiente, não demandando o desenvolvimento de
matrizes.
Para que o corte seja executado, um forte gerador produz um raio que é encaminhado para a
cabeça de corte, que direciona o feixe de LASER por um caminho ótico (definido através de
espelhos ajustáveis). O raio, que até então apresentava baixa densidade de energia, atravessa
uma lente de foco que ajusta a intensidade e o tamanho do feixe.
Na seqüência, é adicionada uma substância gasosa (dependendo do tipo de LASER), e o feixe
focado passa a apresentar uma alta densidade de energia. Finalmente, o feixe é convergido
sobre o material a ser trabalhado, quando, então, é efetuado o corte (a densidade energética
do feixe “derrete” o material na linha de corte). Gases assistentes auxiliam a máquina de corte
a LASER na “secagem” da peça trabalhada.
Em pouquíssimo tempo (milésimos de segundo) a máquina de corte a LASER executa o
trabalho. O sistema permite que projetos complexos, cheios de detalhes e ângulos difíceis,
sejam realizados de forma perfeita.
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Figura 20. Mesa de Corte de uma Máquina de Corte a LASER.
Corte a LASER de Chapas.
Diversos materiais podem ser trabalhados pelas máquinas de corte a LASER, como as chapas
de alumínio, aço-carbono, inox, ferro etc. Cada material demanda condições diferenciadas no
processo de corte, como veremos a seguir.
No caso do aço-carbono, as máquinas de corte a LASER são capazes de cortar chapas de até
20 mm de espessura. A tolerância é bem menor (no máximo 0, 6 mm) quando a chapa é de
alumínio, pois este material apresenta forte tendência de empastamento e de reflexão da luz
(dificuldade de concentração de energia).
Os aços não ligados são facilmente trabalhados pelo corte a LASER, especialmente nos
processos que utilizam o oxigênio como gás de assistência. No resultado final, percebe-se que
a qualidade do corte é boa, apresentando pequenas larguras de corte e bordas retas (sem
rebarbas e livres de óxidos).
Já no caso dos aços inoxidáveis, o corte de chapas muito espessas não é possível, mas as
chapas finas, ao serem cortadas, apresentam excelentes resultados. Os aços-ferramenta são
difíceis de cortar através dos métodos convencionais (devido ao alto teor de carbono), porém,
quando cortados a LASER, tendem a apresentar boa qualidade de superfície.
O cobre (e suas ligas), ao ser cortado, também apresenta a tendência de refletir a luz (assim
como o alumínio). O titânio (e suas ligas) pode ser cortado a LASER e exige que a zona de
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corte sofra a proteção de um gás inerte (CO 2, He, N2), para que seja evitada a oxidação pelo ar
– é importante que um gás inerte também seja injetado na face posterior do corte, para auxiliar
na eliminação das gotas aderentes de metal fundido.
Corte a LASER em Metais Diversos.
O corte a LASER pode ser aplicado diversos tipos de materiais, como: acrílico, madeira, MDF,
couro, papel, plástico, aço carbono, aço inox, alumínio, etc. No caso específico do corte
industrial, atualmente existem dois tipos de LASER, o CO2 e o YAG, que podem ser
empregados em diferentes materiais. Será pontuada, a seguir, a relação destes LASERs com o
corte de metal.
O LASER CO2 (o mais empregado no corte industrial) utiliza os seguintes gases: Hélio (He),
Nitrogênio (N2) e o Dióxido de Carbono (CO2). O gás CO2 é empregado na emissão do LASER,
o N2 na excitação e o He na etapa do esfriamento.
Com a utilização do CO2, viabiliza-se um processo de corte a LASER versátil, pois ele pode
trabalhar materiais metálicos e não metálicos com alta velocidade e facilidade de controle.
Porém, no caso de material refletivo (alumínio, por exemplo), o LASER CO2 enfrenta
dificuldades de corte (dependendo da espessura a ser trabalhada).
Entre os materiais metálicos cortados pelo LASER CO2, estão os metais sem liga ou de liga
leve, o aço inox, a liga de níquel, o titânio (e suas ligas) e o alumínio (e suas ligas;
considerando-se o problema da refletividade).
Já o LASER YAG é distribuído através de uma barra sólida de alumínio, ou por meio de alguma
outra matriz sólida, como o rubi. Ele pode ser YAG Contínuo (se comporta da mesma maneira
que o CO2), ou YAG Pulsado (tem velocidade de corte mais lenta e possibilita um trabalho
perfeito com os metais reflexivos).
A vantagem da utilização do YAG no corte a LASER é que a onda é bem absorvida por
materiais metálicos, característica que acaba contornando o problema da refletividade de
alguns materiais (como o alumínio). Dentre os metais trabalhados pelo LASER YAG estão o
aço inox, o alumínio e suas ligas, entre outros.
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Figura 21. Diferentes Tipos de Materiais Sendo Cortados pelo Processo de Corte a LASER.
6. Polimento.
Polir é um processo mecânico de acabamento de uma peça que visa tornar sua superfície lisa
e de aparência espelhada. O polimento, portanto, propicia boa qualidade de acabamento de
um produto final.
Numa superfície cortada com ferramenta podemos perceber as marcas de usinagem sob a
forma de estrias. Essas estrias, que são formadas pela ferramenta de corte, convencional ou
por rebolo, recebem o nome de rugosidades que podem ser medidas e consideradas em
termos de qualidade de acabamento.
A operação de polir tem as seguintes finalidades:
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Dar, a qualquer superfície, acabamento de boa apresentação, espelhado, sem que a
superfície precise ter precisão de formas e de medidas;
Criar uma camada superficial de proteção da peça, impedindo a ação corrosiva de
ácido, de certos sais químicos, ferrugem etc.;
Preparar peças a serem submetidas a operações de revestimento superficial por
galvanoplastia, como niquelagem e cromagem. Depois dessas operações, melhorar o
aspecto da superfície, dando às peças niqueladas ou cromadas um brilho mais vivo.
Processo.
Geralmente, o polimento é feito por uma ferramenta na for ma de um disco ou conjunto de
discos, revestidos com substâncias abrasivas. Podem também ser utilizados lixas ou bastões
abrasivos.
O disco abrasivo pode ser de madeira, feltro ou tecido. Estes materiais impregnados de pasta
ou pó abrasivo agem como o rebolo, por meio de suas superfícies cilíndricas ou planas.
Os discos abrasivos são feitos de material semi-rígido (feltro aglomerado) ou muito flexível
(flanela). O abrasivo que os recobre é colado ou fixado com adesivo.
O polimento pode ser radial e axial. No polimento radial apóia-se o disco abrasivo sobre a peça
a ser polida e o disco gira em grande velocidade: aproximadamente, 45 a 50 m/s ou 2700 a
3000 m/min.
Figura 22. Politriz Axial.
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Figura 23. Politriz Radial.
Nesse contato, a superfície da peça vai se desgastando até ficar homogênea e lisa.
No polimento axial, o disco abrasivo gira sobre um eixo, em contato com a superfície a ser
polida. Neste caso, o disco abrasivo acompanha a superfície da peça por movimentos de
plasticidade ou elasticidade.
Durante o contato da ferramenta com a peça, a superfície desta é desgastada e vai sendo
polida pela ferramenta, de acordo com a granulação abrasiva.
Uma superfície de exatidão dimensional é sempre polida, o que se obtém por retificação,
rodagem e superacabamento. Por exemplo, o bloco-padrão.
Outra aplicação do polimento é na confecção de moldes plásticos. Também pode ser polida
qualquer superfície que não necessite de exatidão dimensional. Por exemplo: punho de
manivela, volante de comando, que posteriormente são cromados.
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Polimento manual
O polimento manual é realizado com lixas, pó ou bastão abrasivos que possuem granulação
finíssima. Este processo é muito empregado na confecção de moldes plásticos. Os moldes
plásticos têm cavidades que moldam a peça que se deseja produzir. Para essa peça
apresentar uma superfície lisa, a cavidade de injeção deve ser polida tanto para atender a este
primeiro caso como para facilitar o fluxo de plástico ou material a ser injetado no molde.
Por ser um processo manual, esse polimento requer uma dedicação muito grande do polidor,
além de um senso crítico de qualidade, pois depende dele boa parte da qualidade do produto
final.
7. Eletropolimento.
Eletropolimento é um processo eletrolítico de interesse de muitos, pois sua capacidade de
melhorar as propriedades do material de uma peça de trabalho se adiciona à alteração
controlada de suas dimensões físicas. A quantidade de alteração do metal depende
basicamente do próprio metal e como ele foi processado até chegar ao eletropolimento.
A maioria dos metais podem ser eletropolidos, porém devido as suas características, o aço
inoxidável é a liga mais freqüentemente eletropolida, especialmente da classe 300, que são
normalmente utilizados nas indústrias de processo.
Histórico
A primeira referência ao eletropolimento ocorreu em 1912 quando o governo Imperial da
Alemanha publicou uma patente para o acabamento de prata em uma solução de cianeto.
Experimentos adicionais com o processo continuaram, mas o próximo avanço significativo não
foi feito até 1935 quando o cobre foi eletropolido com sucesso. O salto seguinte foi seguido por
novos desenvolvimentos em 1936 e 1937, quando o Dr. Charles Faust e outros descobriram
soluções para eletropolimento de aços inoxidáveis e outros metais.
Durante a II Guerra Mundial, intensas pesquisas e desenvolvimento de processo por cientistas
Aliados produziram um número substancial de novas fórmulas e resultados. Dados desses
projetos foram publicados durante o período pós-guerra em centenas de artigos descrevendo
as aplicações do eletropolimento e sua base teórica. Dezenas de novas patentes foram
registradas entre 1940 e 1955. Aplicações importantes foram desenvolvidas pelos militares
durante a II Guerra Mundial e o conflito Coreano.
Atualmente, o eletropolimento está sendo redescoberto como um substituto do acabamento
mecânico. Além de produzir uma superfície mais lisa, é um modo mais visível de se obter
brilho, nivelamento, passivação, alívio de estresse e, sobretudo, de melhorar as características
físicas da maioria dos metais e ligas.
Processo.
O eletropolimento é a remoção eletroquímica de metal de uma superfície de trabalho em uma
solução eletrolítica altamente iônica por meio de um potenciais e corrente elétricos, onde a
peça ser tratada é conectada ao pólo positivo de uma fonte de energia DC., enquanto é imerso
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em um eletrólito adequado (Figura 24). O eletropolimento opera anodicamente e é, em uma
descrição menos técnica do processo, o “inverso da eletrodeposição”. A remoção de metal
ocorre preferencialmente nos picos do perfil da superfície resultando em um nivelamento e
alisamento do micro-perfil enquanto a forma macro da superfície não é alterada.
Figura 24. Célula de Elretropolimento.
A aplicação do eletropolimento em superfícies de aços inoxidáveis resulta na formação de um
filme anódico sobre a mesma; ocorrendo a difusão dos íons dissolvidos do metal através desse
filme. Os pontos altos das irregularidades superficiais (picos), ou áreas de alta densidade de
corrente, são seletivamente removidos numa velocidade maior do que o restante da superfície
(vales).
No curso do eletropolimento, a peça de trabalho é manipulada para controlar a quantidade de
remoção de metal de maneira que o polimento possa ser realizado e, ao mesmo tempo,
tolerâncias dimensionais serem mantidas. O eletropolimento literalmente disseca o cristal do
metal átomo por átomo, com rápido ataque nas áreas de alta densidade de corrente e menos
ataque nas áreas de baixa densidade de corrente. O resultado é uma redução geral do perfil da
superfície com um nivelamento e abrilhantamento da superfície do metal. Este nivelamento
geralmente produz um acabamento brilhante reflexivo, mas somente uma pequena quantidade
de metal (30 - 40 µm) é removida.
Superfícies, por mais perfeitas que sejam, apresentam particularidades que são herança do
método empregado em sua obtenção, por exemplo: torneamento, fresamento, retífica,
lixamento, polimento, etc. As superfícies assim produzidas, apresentam-se como um conjunto
de irregularidades, com espaçamento regular ou irregular e que tendem a formar um padrão ou
textura característica em sua extensão, podendo ser analisadas segundo suas características
químicas e mecânicas (composição, dureza, tensões) e suas características geométricas, as
quais podem ser classificadas da seguinte maneira: desvios de medida, desvios de posição,
desvios de forma, ondulação e rugosidade (DIN 4760)(figura ao lado). Cada superfície contém
todos estes desvios, pois é impossível produzir superfícies perfeitas.
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Tais superfícies apresentam como já foi visto, erros de diferentes magnitudes, e sua
caracterização é possível através de meios ou técnicas bem diferentes, sendo que para facilitar
seu estudo, se dividem em dois grandes grupos, que são: erros macro geométricos, chamados
também erros de forma ou textura secundária, e que incluem entre eles, divergências de
ondulação, ovalização, multifacetamento, conicidade, cilindricidade, planicidade, etc. e que são
passíveis de medição através de instrumentação adequada, como micrômetros, comparadores,
projetores de perfil, etc. e erros micro geométricos, conhecidos como erros de rugosidade ou
de textura primária, que é formada por sulcos ou marcas deixadas pelo agente que atacou a
superfície no processo de fabricação (ferramenta, rebolo, partículas abrasivas, ação química,
etc.), e se encontra superposta a um perfil de ondulação, provocada por deficiência nos
movimentos da máquina, deformação no tratamento térmico, tensões residuais do trabalho
mecânico. Para o segmento das indústrias de processo, os erros micro geométricos
possivelmente sejam o grande problema, pois são compostos basicamente da ondulação e da
rugosidade, sendo esta última um fator que prejudica em muito o desempenho de superfícies
de componentes e equipamentos industriais.
Figura 25. Esquematização do Processo de Elretropolimento.
No caso de ligas de aço inox, um efeito importante é causado pelas diferenças de quantidade
de remoção dos componentes da liga. Por exemplo, átomos de ferro e níquel são mais
facilmente extraídos do retículo cristalino do que os átomos de cromo. O processo de
eletropolimento remove o ferro e o níquel preferencialmente, deixando uma camada superficial
acentuada consistindo de óxido de cromo resistente à corrosão. Este fenômeno divulga a
importante propriedade de "passivação" das superfícies eletropolidas.
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O eletropolimento no aço inoxidável pode ser realizado por 2 (dois) métodos bem distintos, a
saber:
Por banho:
A peça ou equipamento é mergulhado dentro de um banho (um tanque com solução
eletrolítica) onde por passagem de corrente elétrica retificada entre a peça e um catodo ocorre
a remoção eletrolítica (eletropolimento).
Localizado ou seletivo:
O eletropolimento é processado através de um dispositivo (caneta) que se movimenta na
superfície do equipamento, sem a necessidade do mesmo estar imerso em um banho, onde o
dispositivo faz o papel do catodo e a superfície do equipamento a ser eletropolido o anodo.
Aplicações
Atualmente, o eletropolimento está sendo aplicado com sucesso em uma larga faixa de novas
aplicações:
Tubos/Tubulações
Válvulas
Conexões
Chapas de Metal
Selos
Rotores
Soldas
Fundidos
Arames
Forjados
Fixadores
Extratores
Maiores benefícios do eletropolimento continuam sendo demonstrados em vasos reatores,
trocadores de calor, misturadores, tanques de estocagem, tubulações e tubos, equipamentos
de processamento de bebidas, alimentos e salas limpas, equipamentos médicos, peças
usinadas e aplicações nucleares.
8. Jateamento.
O jateamento é uma técnica de tratamento superficial por impacto, o qual se pode obter um
excelente grau de limpeza e simultaneamente um correto acabamento superficial. Este
processo em geral é usado para:
Limpeza de peças fundidas, ferrosas e não ferrosas, forjadas, etc;
Decapagem mecânica de arames, barras, chapas, etc;
Shot-Peening (aumenta a resistência à fadiga de molas, elásticos, engrenagem, etc);
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Limpeza e preparação de superfície, onde será aplicado revestimento posterior;
De forma geral, podemos dizer que o jateamento é o bombardeio de partículas
abrasivas a alta velocidade (65 – 110 m/Seg.), que após o impacto com a peça
remove os contaminantes da superfície.
Até a década de 30, o jateamento era realizado somente com bicos de ar comprimido. Hoje
esta técnica é mais utilizada para certos trabalhos como a manutenção de estruturas armadas.
O jateamento em linha de produção, com alta produção e de forma automática, foi possível
com o desenvolvimento de turbinas centrífugas de jateamento. Este sistema é muito mais
produtivo se comparado com bicos de ar comprimido, alem de se obter uma melhor
uniformidade na preparação superficial.
O tipo de material, o tamanho, a forma, as condições da superfície a ser limpa e a
especificação do acabamento superficial, tem influência direta quanto a seleção do sistema de
jateamento, do abrasivo e a definição do procedimento. Existem casos que podem ser
necessários outros métodos de limpeza, antes e depois do jateamento para obter melhores
resultados nos revestimentos
O primeiro processo de jateamento abrasivo foi patenteado por Benjamin Chew Tilghman em
18 de Outubro de 1870, e servia para criar desenhos em pedras, sobretudo colocação de
nomes em pedras tumulares.
Como método de preparação de superfícies apenas começou a ser usado a partir dos anos 30
do século XX, tendo apenas se tornado como método padrão a partir da segunda guerra
mundial, quando a marinha americana concluiu que a pintura de um navio possuía uma
durabilidade muito maior se a superfície fosse jateada com jato abrasivo.
O Jateamento abrasivo é o método considerado mais eficiente e aquele que promove a melhor
limpeza para posterior pintura em superfícies metálicas. Em certo tipo de revestimento (Tintas
ricas em Zinco ou Metalização) é mesmo o único método de limpeza de superfícies admissível.
Vantagens/Benefícios
Redução nos custos de produção;
Melhor condição de inspeção e pintura;
Aumento da vida útil das ferramentas;
Melhoria nos processos de soldagem;
Menor poluição interna.
Remoção de Contaminantes
Este processo é utilizado em:
Peças fundidas – para remoção de areia, rebarbas e carepas de fundição (camadas
espessas de óxidos depositadas sobre a superfície de um metal);
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Laminados, chapas, perfis, barras, fios, etc. – para limpeza, decapagem e remoção
de carepas;
Forjados – para remoção de carepas;
Peças submetidas a tratamento térmico – para remoção de carepas geradas no
processo.
Obtenção de acabamento superficial
Utilizado para limpar ou dar polimento a uma superfície ou melhorar a ancoragem/ aderência
da tinta em uma dada superfície aumentando a qualidade da pintura ou para
emborrachamento, etc.
Abrasivos.
Inicialmente, o jateamento com areia era feito a céu aberto, ou em ambientes confinados, sem
sistemas de ventilação apropriados. Desta forma, não tardaram a aparecer os primeiros
problemas de silicose para os operadores. Desde então, muitas alterações foram introduzidas
na técnica de limpeza, desenvolvendo-se novos tipos de equipamentos e de abrasivos.
Os abrasivos metálicos foram utilizados pela primeira vez em 1885, na Inglaterra, porém sua
aceitação industrial ocorreu somente por volta de 1920, quando começaram a aparecer
evidências das vantagens econômicas e técnicas como: menor desgaste dos equipamentos,
melhor acabamento superficial, maior produtividade, menor custo por tonelada acabada, menor
volume de material abrasivo manipulado e, principalmente, por evitar a silicose.
Os primeiros abrasivos metálicos a serem largamente utilizados eram produzidos em ferro
fundido coquilhado que, apesar de muito superiores às areias, quebravam-se rapidamente,
provocando desgaste relativamente rápido do equipamento. Desenvolveram-se,
posteriormente, as granalhas de ferro fundido maleável e de aço, e os fios de aço cortados,
todos com propriedades muito superiores às de ferro fundido coquilhado.
O jateamento abrasivo hoje, pode ser executado com vários tipos de abrasivos sob a forma
granulada, os quais podem ser agrupados de acordo com a sua origem:
1. Abrasivos metálicos, que usualmente são chamados de Granalha de aço (Chispas ou
Micro-esferas);
2. Abrasivos não-metálicos, os quais se subdividem em:
 Minerais: São materiais retirados da natureza que não sofrem qualquer
processamento, para além do esmagamento e peneiramento como a Areia de
sílica, Granada (nesosilicatos), Olivina (silicatos de Fe-Mn) e Dolomita (carbonato CaMg);
 Sintéticos: São materiais transformados como o Óxido de alumínio branco ou
cinzento, Carboneto de silício, Escórias (de Cu, Fe, Ni), Microesferas de vidro (Glass
Ball).
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 Orgânicos: São materiais de origem vegetais moídos como: Caroços de azeitona,
Caroços de cereja, Milho Moído ou Casca de noz.
3. Outros abrasivos: Bicarbonato de sódio, Gelo seco, Plástico granulado.
Figura 26. Diversos Tipos de Abrasivos para Jateamento.
Shot Peening.
É um processo mecânico de jateamento cuja principal finalidade é provocar o aumento da
resistência à fadiga em peças submetidas a esforços repetitivos/ tensões cíclicas, que passam
a ter um significativo aumento na sua vida útil depois que submetidas a este processo. Este
aumento de dureza superficial se dá pela ação de tensões residuais impostas pela projeção da
esfera no ato de aspersão, com a criação de uma calota impressa (Fig.26 e 27).
Os equipamentos para shot peening são semelhantes aos de jateamento, possuindo alguns
componentes específicos para melhorarem o controle do processo. Esses componentes
controlam, basicamente, a velocidade de arremesso do abrasivo, sua quantidade e
granulometria, para que possam ser atendidas as especificações técnicas exigidas e garantida
a repetibilidade do processo.
Este processo é geralmente aplicado em: peças submetidas a tensões cíclicas, como
engrenagens, eixos, molas planas e helicoidais, barras estabilizadoras, e outras peças sujeitas
a esforços cíclicos que possam apresentar danos originados pela fadiga.
O deve ser efetuado com micro-esferas, sendo que a granalha de aço, a granalha de níquel e a
granalha de vidro são as mais utilizadas. Por razões de custo, e da limpeza proporcionada, a
última tem a aplicação difundida com vantagem.
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Stress Peening
É uma forma particular de shot peening, onde as peças são submetidas ao jato abrasivo sob
tensão, proporcionando resultados ainda melhores do que os obtidos com a simples aplicação
do shot peening.
Figura 27. Ação da Microesfera ao Ser Projetada na Peça
Figura 28. Exemplo de Estrutura de Aço Carbono – Fig. do Centro não Afetada, Figs dos
Extremos Encruadas pela ação da Calota.
Equipamento
O Sistema de Jateamento Podem ser divididos em 6 sistemas básicos:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Sistema de aceleração da granalha (via ar comprimido ou turbina centrifuga);
Sistema de circulação e limpeza da granalha;
Cabine (para sistema automatizado ou manual);
Sistema de coletagem de pó;
Sistema de movimento e fixação da peça;
Controles e Instrumentação;
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.
Figura 29. Exemplo de Processo Automatizado de Jateamento.
Figura 30. Cabines de Jateamento..
9. Tamboreamento.
O tamboreamento (ou vibroacabamento) possuem como principal finalidade o processamento
de peças feitas em metais ferrosos e não ferrosos, na remoção de rebarbas, ferrugem,
nivelamento e polimento de suas superfícies.
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Após o processo de tamboreamento, além de não deformar o formato original ou causar danos
dimensionais, é obtido precisão de rugosidade, melhor aspecto visual e uniformidade de
acabamento.
O acabamento é obtido através do atrito promovido pela movimentação (quando em tambor
rotativo) ou movimentação e vibração (quando em máquinas vibratórias) das peças em meio
dos corpos abrasivos e compostos químicos. O movimento e vibração quando controlados
removem rebarbas e cantos vivos, alisam superfícies de maneira uniforme assim como
garantem um aspecto visual mais bonito e brilhante.
O tamboreamento permite a obtenção de superfícies adequadas para fins mecânicos e/ou
decorativos com precisão e ainda oferece outras vantagens sobre sistemas de acabamento
alternativo cuja importância nunca foi tão grande como nos dias de hoje. Os processos não
somente economizam mão de obra especializada, mas também espaço, reduz problemas de
poluição eliminando poeira, vapores, efluentes nocivos e barulho excessivo. Outra vantagem
que não deve ser desprezada nas circunstâncias atuais é que o tamboreamento necessita de
pouca energia.
Fatores de Relevância para o Tamboreamento.
1. Seleção de insumos (chips abrasivos, porcelanas, inox, grãos vegetais,
compostos, etc.) para obter o resultado esperado: Os insumos são selecionados
de acordo com fatores como materiais, formato, tamanho e resultado almejado para a
superfície das peças. Compostos químicos para vibroacabamento (detergentes,
pastas e pós) devem ser usados para auxiliar e/ou acelerar o processo, garantindo o
acabamento desejado além de manter os insumos limpos e/ou com maior poder de
corte.
I. Chips Naturais: Calcário, Quartzo ou Chips fundidos de Óxido de Alumínio, têm formatos
irregulares, porém classificados por peneiração em bitolas específicas. Os Chips de Óxido
de Alumínio têm a vantagem do peso específico e aspereza maior que os anteriores, e
asseguram os resultados desejados num tempo mais reduzido.
II. Chips Pré-Formados Cerâmicos: Têm formatos geométricos, normalmente triangulares ou
cilíndricos, sendo conglomerados de grãos de óxido de alumínio ou carbureto de silício
numa liga cerâmica. Estes Chips têm a vantagem que seu formato regular pode evitar
alojamento em peças complicadas e também podem atingir os recessos e contornos das
peças a serem tratadas.
III. Chips Plásticos: Estes são usualmente fabricados em formato cônico, contém abrasivos
numa liga de plástico. Portanto eles são leves e muito utilizados para acabamento de peças
delicadas ou de metais leves. São utilizados, por exemplo, no processo de rebarbação leve
e polimento final de peças de ferro ou latão estampadas ou de peças de liga de zinco
fundida a pressão, obtendo uma superfície pronta para a niquelação decorativa.
IV. Chips Pré-Formados de Porcelana: sem inclusão de grãos abrasivos, servindo somente
para a compactação da superfície e como meio de contato, respectivamente de separação
de peças uma da outra.
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V. Meios Metálicos: Esferas ou pinos de aço inoxidável, ou aço carbono temperado e polido.
Utilizados para brunimento e abrilhantamento de peças de aço inoxidável, latão, cobre ou
para obtenção de brilho permanente em pequenos artefatos de alumínio.
VI. Granulado de Sabugo de Milho: Utilizado para secagem, limpeza e lustro superficial
quando impregnado com pasta de polimento.
Figura 31. Diversos Tipos de Chips.
2. Quantidade de carga x quantidade de peças: O resultado da rebarbação,
polimento, limpeza ou brilho é melhor obtido quando a carga envolve as peças.
Portanto, a quantidade indicada de carga x peças é de 1:1 até 10:1, sendo que 2:1
indicado para processo de rebarbação pesado e 6:1 para processos de precisão.
3. Quantidade de abrasivos e peças no tanque / caçamba: A quantidade ideal de
peças mais os insumos dentro da caçamba deve atingir de 85% a 90% do volume
total da mesma. A quantidade adequada desta mistura (peças + carga) deve ser
obtida tendo em vista um bom e livre movimento de todo volume interno do
tamboreador.
4. Compostos químicos: Os compostos para tamboreamento ou vibroacabamento,
sejam eles líquidos, pós, ou pastas são soluções compostas de elementos químicos
que representam um papel muito importante em todos os processos. São utilizados
para limpar, desengraxar, abrilhantar e polir além de reduzir o tempo de processo e
até mesmo reduzir o impacto entre as peças. A quantidade destes compostos para
cada processo depende do volume de água e resultado almejado. Testes práticos
devem ser realizados e as quantidades definidas.
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5. Quantidade de água: A quantidade adequada de água para ser adicionada fica ao
redor de 3% do volume total do tanque. Pouca água pode resultar em arranhões na
superfície das peças e muita água pode influenciar na qualidade do acabamento. A
quantidade de água deve ser cuidadosamente controlada, uma vez que os processos
de tamboreamento e vibroacabamento são conhecidos por utilizarem pouca água,
energia e mão de obra.
6. Determinando o tempo de processo: O tempo de acabamento é determinado de
acordo com a situação inicial das peças que serão processadas. O melhor tempo
para o acabamento é geralmente estipulado por meios de testes práticos assim como
as melhores opções de insumos e regulagem do tamboreador.
7. A Velocidade do Tambor ou, Respectivas Freqüências e Amplitudes das
Vibrações: Trata-se da velocidade periférica. Um tambor de grande diâmetro deve
girar mais lentamente do que um de diâmetro menor para obter o mesmo resultado.
Usualmente um tambor de 400 mm de diâmetro gira com 30 RPM, um de 600 mm de
diâmetro com 20 RPM e um de 900 mm de diâmetro com 8-12 RPM. As máquinas
vibratórias usualmente trabalham com freqüências entre 900 e 3.500 vibrações
aproximadamente, sendo 1.200 ou 1.700 RPM as freqüências mais comuns. A
amplitude depende do ajuste dos pesos excêntricos e normalmente atinge até 6 mm.
Figura 32. Máquina de Tamboreamento.
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10. Quimio-erosão (ou Usinagem Química).
Os pioneiros na utilização da via química para conformar metais foram os gravadores.
Esses artistas empregavam, e usam até hoje, uma mistura de ácido nítrico e água para
desoxidar e gravar metais, conhecida como água-forte. A fim de obter as gravuras, o ácido
era preparado para corroer as partes expostas da estampa, enquanto as partes protegidas
permaneciam em relevo. Entretanto, por mais espetaculares que sejam esses trabalhos
artísticos, eles não correspondem às exigências atuais de um trabalho de usinagem
industrial.
A usinagem requer a obtenção de formas, arestas, dimensões e estados de superfície bem
definidos. A Química permite cercar estes parâmetros, com exatidão suficiente para
garantir o êxito das aplicações industriais.
Há mais ou menos quinze anos a indústria aeronáutica vem se beneficiando dos
procedimentos de usinagem química para diminuir o peso das aeronaves, eliminando
quimicamente os materiais desnecessários de determinadas peças, a fim de melhorar a
relação resistência/peso, sem prejuízo da sua resistência mecânica.
Os conhecimentos adquiridos com a aplicação desta técnica na indústria aeronáutica
tornaram possível aplicar a usinagem química a outros metais, além do alumínio, como o
ferro, os aços, os aços inoxidáveis, o titânio, o tântalo etc.
A usinagem química recebeu um impulso adicional da exigente indústria eletrônica, para
produzir um número crescente de peças precisas, delicadas, de pequenas dimensões, sem
nenhum tipo de deformação do metal. Esta técnica é bastante difundida, também, para
produção de circuitos eletrônicos impressos em chapas.
Há cerca de 10 (dez) anos, as indústrias elétricas e a de mecânica de precisão também
aderiram a este método, para confeccionar um número crescente de materiais
miniaturizados, que devem ser produzidos em série.
Novas necessidades continuam surgindo, abrindo outros campos de aplicação para a
usinagem química. Empresas especializadas nessa área são capazes de atender às
exigências de qualquer cliente, com base em um desenho técnico ou croquis com as
dimensões e tolerâncias definidas, com custos e prazos bastante competitivos, pois este
método dispensa o elevado investimento na confecção de ferramental e permite o trabalho
em diversos tipos de materiais, inclusive temperados, mesmo em produções em pequenas
escalas.
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Figura 33. Peças Usinadas Quimicamente.
Processo.
A usinagem química consiste em submeter certas partes de peças metálicas à ação de
uma solução agressiva. Isso implica que as outras partes devem ser protegidas desta
ação, o que é feito colocando-se uma “máscara” sobre a peça, feita de material insensível
à substância corrosiva, com as formas e dimensões adequadas.
As principais etapas de execução da usinagem química são:
Preparação da superfície do metal;
Confecção da máscara e revestimento da peça;
Usinagem química propriamente dita;
Limpeza.
Preparação da superfície do metal: A superfície do metal, que ficará coberta durante a
usinagem, deve ser cuidadosamente limpa e desengordurada.
Às vezes, é necessário submetê-la a um leve ataque corrosivo. Isso proporciona uma boa
aderência da máscara, durante a usinagem, principalmente quando feita de resinas
fotossensíveis.
Depois de limpo, o metal deve ser protegido da poeira e manipulado o mínimo possível de
preferência com luvas.
Confecção da máscara e revestimento da peça: Diversos materiais podem ser empregados
na confecção de máscaras, tais como: borracha, plásticos, resinas fotossensíveis, vernizes
etc. O importante é que esses materiais resistam à solução agressiva utilizada, apresente
boa aderência à peça, o tempo suficiente para obter o resultado desejado e possam ser
recortados nas dimensões estabelecidas.
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As máscaras devem apresentar uma diferença dimensional, para menor, em relação às
cotas finais desejadas, pois a dissolução do metal não se faz rigorosamente na vertical: um
pouco da solução sempre penetra sob a máscara. O cálculo das dimensões da máscara é
feito de acordo com a espessura a dissolver, o tipo de metal e o ambiente em que é feito o
trabalho, para uma velocidade de dissolução determinada.
As pinturas ou borrachas sintéticas são aplicadas sobre um gabarito, o qual, depois de
retirado, deixa aparecer o metal não protegido, que será exposto à solução corrosiva.
Depois de colocado o gabarito sobre a chapa de alumínio, o próximo passo será a
aplicação, sobre a parte vazada, de uma camada de tinta especial resistente ao agente
corrosivo usado neste caso: a soda cáustica (NaOH).
Para trabalhos que exigem grande exatidão, as resinas fotossensíveis são preferidas.
Essas resinas devem ser submetidas a radiação ultravioleta e depois devem ser reveladas.
A revelação faz aparecer o desenho da peça e deixa a descoberto o metal a dissolver.
A vantagem das resinas fotossensíveis é a possibilidade de redução fotográfica, em grande
escala, com exatidão, do desenho da parte a ser protegida. Quando se usa gabarito ou
recorte manual, esta exatidão fica dependendo da habilidade do operador.
Para aumentar a aderência e resistência da resina aos ácidos, depois da revelação, a peça
deve ser submetida a recozimento controlado e uniforme. Esse processo pode ser feito em
estufas, a temperaturas relativamente baixas, ou por ação de radiação infravermelha,
desde que se tome o cuidado de exposição correta de todas as partes da peça.
A Usinagem Química.
Neste estágio, realiza-se a dissolução das partes das peças que devem desaparecer. A
solução agressiva é colocada em contato com o metal, e a dissolução se processa até ser
atingido o equilíbrio químico. As soluções cáusticas (para alumínio e aço) e ácidas (para
níquel e cobre) são agentes corrosivos típicos.
Para que a solução não perca suas propriedades, ela deve ser constantemente renovada,
por meio de dispositivos acoplados ao tanque de usinagem.
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