Usinagem eletroquimica

Usinagem eletroquimica

(Parte 1 de 2)

Nesta aula vocŒ vai estudar dois mØtodos nªo convencionais de usinagem, que tŒm em comum entre si apenas o fato de aproveitarem a capacidade que certos materiais apresentam de reagirem quimicamente com outros.

Estes dois processos - a usinagem química e a usinagem eletroquímica - baseiam-se em princípios diferentes e mobilizam diferentes formas de energia.

A usinagem química Ø um meio de usinar os metais pela sua dissoluçªodissoluçªodissoluçªodissoluçªodissoluçªo em uma soluçªo agressiva, Æcida ou bÆsica, enquanto a usinagem eletroquímica funciona por remoçªoremoçªoremoçªoremoçªoremoçªo e transportetransportetransportetransportetransporte, Ætomo por Ætomo, do metal usinado, mergulhado numa soluçªo eletrolítica. Na usinagem eletroquímica, nªo Ø levada em conta a capacidade de a soluçªo eletrolítica dissolver o metal.

A œnica energia utilizada na usinagem química Ø libertada pela reaçªo química da soluçªo agressiva sobre o metal, enquanto na usinagem eletroquímica a energia, de natureza elØtrica, provØm de uma fonte externa.

A usinagem química Ø mais lenta e dÆ resultados mais exatos. A usinagem eletroquímica necessita de ferramenta específica, semelhante a uma ferramenta mecânica.

A seguir, vocŒ terÆ uma descriçªo detalhada de cada um desses mØtodos de usinagem. Ao final da aula, esperamos que vocŒ seja capaz de identificar suas principais características.

Usinagem química: como tudo começou

Os pioneiros na utilizaçªo da via química para conformar metais foram os gravadores. Esses artistas empregavam, e usam atØ hoje, uma mistura de Æcido nítrico e Ægua para desoxidar e gravar metais, conhecida como Ægua-forte. A fim de obter as gravuras, o Æcido era preparado para corroer as partes expostas da estampa, enquanto as partes protegidas permaneciam em relevo.

Usinagem química e usinagem eletroquímica

Entretanto, por mais espetaculares que sejam esses trabalhos artísticos, eles nªo correspondem às exigŒncias atuais de um trabalho de usinagem industrial.

A usinagem requer a obtençªo de formas, arestas, dimensıes e estados de superfície bem definidos. A Química permite cercar estes parâmetros, com exatidªo suficiente para garantir o Œxito das aplicaçıes industriais.

HÆ mais ou menos quinze anos a indœstria aeronÆutica vem se beneficiando dos procedimentos de usinagem química para diminuir o peso das aeronaves, eliminando quimicamente os materiais desnecessÆrios de determinadas peças, a fim de melhorar a relaçªo resistŒncia/peso, sem prejuízo da sua resistŒncia mecânica.

Os conhecimentos adquiridos com a aplicaçªo desta tØcnica na indœstria aeronÆutica tornaram possível aplicar a usinagem química a outros metais, alØm do alumínio, como o ferro, os aços, os aços inoxidÆveis , o titânio, o tântalo etc.

A usinagem química recebeu um impulso adicional da exigente indœstria eletrônica, para produzir um nœmero crescente de peças precisas, delicadas, de pequenas dimensıes, sem nenhum tipo de deformaçªo do metal. Esta tØcnica Ø bastante difundida, tambØm, para produçªo de circuitos eletrônicos impressos em chapas.

HÆ cerca de cinco anos, as indœstrias elØtricas e a de mecânica de precisªo tambØm aderiram a este mØtodo, para confeccionar um nœmero crescente de materiais miniaturizados, que devem ser produzidos em sØrie.

Novas necessidades continuam surgindo, abrindo outros campos de aplicaçªo para a usinagem química. Empresas especializadas nessa Ærea sªo capazes de atender às exigŒncias de qualquer cliente, com base em um desenho tØcnico ou croquis com as dimensıes e tolerâncias definidas, com custos e prazos bastante competitivos, pois este mØtodo dispensa o elevado investimento na confecçªo de ferramental e permite o trabalho em diversos tipos de materiais, inclusive temperados, mesmo em produçıes em pequenas escalas.

A figura a seguir mostra alguns exemplos de peças produzidas por usinagem química.

AULAPrincípio de funcionamento

A usinagem química consiste em submeter certas partes de peças metÆlicas à açªo de uma soluçªo agressiva. Isso implica que as outras partes devem ser protegidas desta açªo, o que Ø feito colocando-se uma “mÆscara” sobre a peça, feita de material insensível à substância corrosiva, com as formas e dimensıes adequadas.

Etapas do processo

As principais etapas de execuçªo da usinagem química sªo: •preparaçªo da superfície do metal

•confecçªo da mÆscara e revestimento da peça

•usinagem química propriamente dita e

• limpeza

Preparaçªo da superfície do metal:Preparaçªo da superfície do metal:Preparaçªo da superfície do metal:Preparaçªo da superfície do metal:Preparaçªo da superfície do metal: A superfície do metal, que ficarÆ coberta durante a usinagem, deve ser cuidadosamente limpa e desengordurada. Às vezes, Ø necessÆrio submetŒ-la a um leve ataque corrosivo. Isso proporciona uma boa aderŒncia da mÆscara, 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 preferŒncia com luvas.

Confecçªo da mÆscara e revestimento da peça:Confecçªo da mÆscara e revestimento da peça:Confecçªo da mÆscara e revestimento da peça:Confecçªo da mÆscara e revestimento da peça:Confecçªo da mÆscara e revestimento da peça: Diversos materiais podem ser empregados na confecçªo de mÆscaras, tais como: borracha, plÆsticos, resinas fotossensíveis, vernizes etc. O importante Ø que esses materiais resistam à soluçªo agressiva utilizada, apresentem boa aderŒncia à peça, o tempo suficiente para obter o resultado desejado e possam ser recortados nas dimensıes estabelecidas.

As mÆscaras devem apresentar uma diferença dimensional, para menor, em relaçªo às cotas finais desejadas, pois a dissoluçªo do metal nªo se faz rigorosamente na vertical: um pouco da soluçªo sempre penetra sob a mÆscara. O cÆlculo das dimensıes da mÆscara Ø feito de acordo com a espessura a dissolver, o tipo de metal e o ambiente em que Ø feito o trabalho, para uma velocidade de dissoluçªo determinada.

As pinturas ou borrachas sintØticas sªo aplicadas sobre um gabarito, o qual, depois de retirado, deixa aparecer o metal nªo protegido, que serÆ exposto à soluçªo corrosiva.

Suponha, por exemplo, que vocŒ precise de uma peça conforme o desenho ao lado.

AULAA usinagem serÆ feita sobre uma chapa retangular de alumínio, com as seguintes dimensıes: 4 m · 50 m · 110 m. Depois de limpar o mate-

rial, conforme as recomendaçıes feitas anteriormente, vocŒ deverÆ aplicar sobre a chapa um gabarito feito de aço laminado, com as partes que vocŒ deseja proteger vazadas, como mostra a figura a seguir.

Depois de colocado o gabarito sobre a chapa de alumínio, o próximo passo serÆ a aplicaçªo, sobre a parte vazada, de uma camada de tinta especial resistente ao agente corrosivo usado neste caso: a soda cÆustica (NaOH).

Isso feito, basta remover cuidadosamente o gabarito. Apenas a parte nªo protegida serÆ dissolvida pelo agente corrosivo.

Outra possibilidade, se vocŒ puder utilizar um material que possa ser facilmente recortado, como as borrachas, por exemplo, consiste em desenhar o contorno desejado na própria borracha, recortar a silhueta contornada e aplicÆ- la diretamente sobre a peça.

AULANesse processo nªo se admite nenhuma poeira. O bom resultado depende de uma camada homogŒnea, de espessura constante, sem rugas nem bolhas.

As camadas protetoras devem ser suficientemente espessas e aderentes.

Para trabalhos que exigem grande exatidªo, as resinas fotossensíveis sªo preferidas. Essas resinas devem ser submetidas a radiaçªo ultravioleta e depois devem ser reveladas. A revelaçªo faz aparecer o desenho da peça e deixa a descoberto o metal a dissolver.

A vantagem das resinas fotossensíveis Ø a possibilidade de reduçªo fotogrÆ- fica, em grande escala, com exatidªo, do desenho da parte a ser protegida. Quando se usa gabarito ou recorte manual, esta exatidªo fica dependendo da habilidade do operador.

Para aumentar a aderŒncia e resistŒncia da resina aos Æcidos, depois da revelaçªo, a peça deve ser submetida a recozimento controlado e uniforme. Esse processo pode ser feito em estufas, a temperaturas relativamente baixas, ou por açªo de radiaçªo infravermelha, desde que se tome o cuidado de exposiçªo correta de todas as partes da peça.

Assim, a peça estarÆ pronta para ser usinada quimicamente. Mas, atençªo!

Alguns testes preliminares sªo necessÆrios para determinar se a qualidade das superfícies dissolvidas e das arestas serªo satisfatórias com o uso do agente corrosivo escolhido.

Usinagem química: Usinagem química: Usinagem química: Usinagem química: Usinagem química: Neste estÆgio, realiza-se a dissoluçªo das partes das peças que devem desaparecer. A soluçªo agressiva Ø colocada em contato com o metal, e a dissoluçªo se processa atØ ser atingido o equilíbrio químico. As soluçıes cÆusticas (para alumínio e aço) e Æcidas (para níquel e cobre) sªo agentes corrosivos típicos.

Para que a soluçªo nªo perca suas propriedades, ela deve ser constantemente renovada, por meio de dispositivos acoplados ao tanque de usinagem.

Limpeza da peça: Limpeza da peça: Limpeza da peça: Limpeza da peça: Limpeza da peça: Esta operaçªo consiste em livrar a peça das mÆscaras aplicadas. Terminada a usinagem, deve ser feito um escovamento mecânico da peça, seguido de um banho. Quando a fragilidade da peça nªo permite um escovamento mecânico, pode-se recorrer a açªo dos ultra-sons.

Vantagens e desvantagens da usinagem química

Um inconveniente importante da usinagem química Ø que o recorte nªo Ø rigorosamente perpendicular à superfície e os ângulos obtidos sªo mal reproduzidos.

A execuçªo da mÆscara, nas dimensıes ideais, Ø uma tarefa complicada, que só chega a bom termo após vÆrias tentativas e aproximaçıes. Muitas vezes, Ø preciso ter uma peça terminada para, com base na verificaçªo dos erros dimensionais, corrigir a mÆscara. Este procedimento deve ser repetido tantas vezes quantas forem necessÆrias, atØ se chegar à regulagem definitiva.

AULAPor outro lado, a usinagem química proporciona peças sem rebarbas, sem deformaçªo e estruturalmente íntegras, pois esse mØtodo de usinagem nªo se baseia no impacto ou no arranque de material à força.

AlØm disso, o tempo de produçªo de uma peça frÆgil, de formas complexas, com tolerâncias apertadas, Ø muito menor por usinagem química que por meio mecânico. Mesmo quando Ø necessÆrio corrigir o desenho, ou o negativo fotogrÆfico, ainda assim o tempo gasto Ø menor que o necessÆrio para refazer uma ferramenta mecânica convencional.

Agora que vocŒ jÆ tem uma idØia geral sobre o funcionamento da usinagem química, uma boa iniciativa Ø comparar este mØtodo à usinagem eletroquímica, que serÆ apresentada a seguir.

Eletrólise, a base da usinagem eletroquímica

A palavra eletróliseeletróliseeletróliseeletróliseeletrólise vem da língua grega, em que eletro quer dizer “corrente elØtrica” e lise significa “quebra”. A eletrólise Ø uma reaçªo nªo espontânea de decomposiçªo de uma substância, por meio de corrente elØtrica.

A eletrólise ocorre quando uma corrente elØtrica Ø passada entre dois materiais condutores, mergulhados numa soluçªo aquosa.

Uma aplicaçªo da eletrólise Ø a deposiçªo eletrolíticadeposiçªo eletrolíticadeposiçªo eletrolíticadeposiçªo eletrolíticadeposiçªo eletrolítica, processo no qual camadas de metal sªo depositadas sobre uma superfície de um outro metal polarizado positivamente.

O polimentopolimentopolimentopolimentopolimento de metais Ø um exemplo de operaçªo que tambØm pode ser obtida por dissoluçªo eletrolítica. Só que, nesse caso, o metal a ser polido Ø polarizado negativamente numa cØlula eletrolítica - trata-se de um processo de dissoluçªo anódica. As irregularidades da sua superfície sªo dissolvidas e, com sua remoçªo, a superfície fica lisa e polida.

Nos dois processos anteriores, o eletrólito, que Ø constituído por um ou vÆrios sais, inofensivos e nªo corrosivos, dissolvidos na Ægua, funciona em baixa velocidade ou parado.

O processo de usinagem eletroquímica Ø semelhante ao de polimento eletrolítico, embora as finalidades dos processos sejam bem diferentes: no polimento eletrolítico, a finalidade principal Ø obter um excelente estado de superfície. Na usinagem eletrolítica, o objetivo Ø a remoçªo de material, segundo um perfil apresentado por uma ferramenta (eletrodo).

Na usinagem, as velocidades de remoçªo de material exigidas sªo muito maiores que as necessÆrias no processo de polimento. Este problema Ø contornado trabalhando-se com densidades elevadas do eletrólito, sob baixas tensıes e mantendo-se reduzida a distância (GAP) entre os eletrodos.

AULAPrincípios bÆsicos de funcionamento

Para entender como a usinagem eletrolítica Ø usada para conformar metais, Ø importante saber o que se passa dentro de uma cØlula eletrolítica.

Imagine uma cuba cheia de eletrólito (soluçªo aquosa de cloreto de sódio) com dois eletrodos de ferro, mergulhados na soluçªo, como mostra a figura a seguir. Um dos eletrodos Ø polarizado positivamente (ânodo), e o outro Ø polarizado negativamente (cÆtodo).

Nos metais, a conduçªo de corrente Ø assegurada pelos elØtrons. Nos eletrólitos, ela Ø obtida por transferŒncia de cargas dos íons.

Numa soluçªo aquosa de cloreto de sódio (NaCl), os íons de sódio sªo positivos e os de cloro sªo negativos. A representaçªo química dessa expressªo Ø:

NaCl fi Na+ + Cl-

A passagem de corrente atravØs de um eletrólito Ø, portanto, acompanhada de transferŒncia de matØria. Sob açªo de uma diferença de potencial, o campo elØtrico criado entre os dois eletrodos provoca movimento dos ânions (-) para o ânodo e migraçªo dos cÆtions (+) para o cÆtodo.

Quando uma diferença de potencial Ø aplicada entre os dois eletrodos, muitas reaçıes podem ocorrer entre o ânodo e o cÆtodo. Uma das reaçıes mais provÆveis Ø a dissoluçªo do ferro, representada quimicamente como segue:

Fe + 2 H2O fi Fe (OH)2 + H2

Em outras palavras: um Ætomo de ferro reage com duas molØculas de Ægua, formando hidróxido de ferro I e liberando hidrogŒnio (H2). O eletrólito permanece inalterado.

AULAApenas sua concentraçªo aumenta, pelo progressivo desaparecimento da Ægua. A retirada de material se dÆ Ætomo por Ætomo, segundo as leis de FaradayFaradayFaradayFaradayFaraday:

•a quantidade de matØria removida ou depositada Ø proporcional à intensidade de corrente elØtrica; •as quantidades de diferentes substâncias retiradas ou depositadas por uma mesma intensidade de corrente sªo proporcionais a sua valŒncia-gramavalŒncia-gramavalŒncia-gramavalŒncia-gramavalŒncia-grama.

Para dissolver anodicamente um metal de valŒncia 2, Ø necessÆrio fornecer 2 elØtrons, por Ætomo de metal a remover. A quantidade mÆxima de metal que pode ser dissolvida nªo depende da natureza do eletrólito, nem da dureza ou outras características do metal, mas sim das seguintes grandezas físicas: densidade da corrente, tempo, massa atômica e valŒncia do metal.

Visualizando a usinagem eletroquímica

A peça a ser usinada e a ferramenta constituem o ânodo e o cÆtodo, respectivamente, mergulhadas num eletrólito, que pode ser uma soluçªo de cloreto de sódio. Uma diferença de potencial, geralmente de 10 volts, Ø aplicada entre os eletrodos. A figura a seguir mostra a peça e o eletrodo em representaçªo esquemÆtica.

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