Telecurso 2000 - Processos de Fabricação - 77proc

Telecurso 2000 - Processos de Fabricação - 77proc

(Parte 1 de 2)

77AULA77 A U L A

O homem primitivo só contava com as próprias mªos para cortar os materiais. Depois, descobriu que podia fazer ferramentas de ossos, gravetos ou pedras. Com essas ferramentas rœsticas, produzia suas roupas, utensílios de cozinha, abrigos e armas.

Com a descoberta dos metais, o bronze e o ferro passaram a ser usados na confecçªo de ferramentas manuais e, por um período que durou aproximadamente um milhªo de anos, os instrumentos feitos com esses materiais possibilitaram ao homem exercer um gradativo domínio sobre os fenômenos da natureza.

AtØ o sØculo XVII, as ferramentas continuaram a ser operadas à mªo, ou por dispositivos mecânicos rudimentares. Tais mØtodos tornaram possível a construçªo de navios, edificaçıes, mobílias e utensílios diversos para uso cotidiano.

A compreensªo de que a Ægua, o vapor e, mais tarde, a eletricidade podiam ser usados como fontes de energia, possibilitou a produçªo de mÆquinasferramenta operadas por essas forças, levando ao desenvolvimento da indœstria das mÆquinas-ferramenta nos sØculos XVIII e XIX.

No sØculo X, como vocŒ jÆ sabe, o desenvolvimento tecnológico provocou uma revoluçªo nos meios e modos de produçªo estabelecidos, possibilitando o acesso a novas fontes de energia que, por sua vez, tornaram viÆveis novas aplicaçıes industriais.

Nesta virada de sØculo, os desafios impostos pelas novas necessidades de produçªo continuam a ser vencidos a passos largos. Processos tecnológicos alternativos vŒm sendo desenvolvidos, na busca permanente de maior qualidade, maior produtividade e menor custo. Alguns desses processos vocŒ jÆ viu em aulas anteriores deste módulo, como o corte a laser , o corte plasma e o corte por jato de Ægua.

Esta aula e a próxima serªo dedicadas ao estudo de outros quatro mØtodos avançados de usinagem, de uso ainda pouco difundido entre nós. Nesta aula serªo abordadas a usinagem por feixe de elØtrons e a usinagem por ultra-som. Na aula seguinte, serªo apresentados os mØtodos de usinagem química e usinagem eletroquímica.

MØtodos avançados de usinagem: feixe de elØtrons e ultra-som

AULAAo terminar o estudo dessas aulas, vocŒ terÆ uma visªo geral dos princípios de funcionamento desses novos mØtodos e dos procedimentos operacionais dos equipamentos desenvolvidos para utilizar sua potencialidade.

MØtodos tradicionais X mØtodos avançados

Nos processos tradicionais, o arranque de material se dÆ por cisalhamento ou abrasªo. Esses mØtodos apresentam limitaçıes para usinagem de materiais duros e de peças com formas complexas.

Por outro lado, os novos processos de usinagem baseiam-se muito mais em princípios eletrofísicos do que nas propriedades mecânicas dos materiais.

Segundo esses novos mØtodos, a usinabilidade dos materiais depende, predominantemente, de características como:

•ponto de fusªo; • condutibilidade tØrmica;

• resistividade elØtrica;

•peso atômico.

A miniaturizaçªo de peças e componentes e a exatidªo requerida para atender às necessidades atuais sªo outros fatores que funcionam como obstÆculo aos mØtodos convencionais de usinagem, mas nªo constituem problema para os mØtodos avançados, que possibilitam a remoçªo de material molØcula por molØcula e atØ mesmo Ætomo a Ætomo.

Alguns desses novos mØtodos baseiam-se em teorias jÆ conhecidas hÆ algum tempo. PorØm, sua utilizaçªo só se tornou possível graças ao desenvolvimento de suportes tecnológicos adequados. É o caso, por exemplo, da usinagem por feixe de elØtrons, que só se tornou viÆvel a partir do momento em que se conseguiu maior domínio sobre a produçªo de câmaras de vÆcuo, como vocŒ verÆ a seguir.

Usinagem por feixe de elØtrons

Este mØtodo baseia-se no princípio de que o bombardeamento de elØtrons gera energia, ou seja, quando os elØtrons sªo acelerados e concentrados em um feixe, uma intensa energia cinØtica Ø produzida.

Quando o feixe assim concentrado choca-se contra uma superfície bem definida, o impacto faz com que a energia cinØtica transforme-se em energia tØrmica, alcançando altíssimas temperaturas, capazes de fundir praticamente todos os tipos de materiais conhecidos.

O mecanismo pelo qual os feixes concentrados penetram na peça ainda nªo

Ø completamente conhecido. Entretanto, sabe-se que a energia altamente concentrada do feixe de elØtrons vaporiza instantaneamente o material no ponto de impacto. O material derretido ao redor do ponto de impacto Ø rapidamente ejetado pela pressªo do vapor sendo, dessa forma, removido do material.

Nossa aula

AULAEste processo foi inicialmente utilizado por volta dos anos 50, na Ærea de soldagem, quando as primeiras construçıes nucleares passaram a exigir a soldagem isenta de oxidaçªo, de materiais reativos como o titânio e o zircônio.

O desenvolvimento das câmaras de vÆcuo trouxe a soluçªo para o problema anterior e ainda permitiu um maior aproveitamento do potencial de energia dos elØtrons acelerados. Isso porque, numa câmara de vÆcuo Ø possível concentrar a energia que seria dispersada pelo atrito dos elØtrons com as molØculas de ar, de modo que se produza uma grande convergŒncia do feixe, com reduçªo das zonas termicamente afetadas. O vÆcuo, alØm de evitar a dispersªo do feixe, possibilita obtençªo de elevadas densidades de energia e maior capacidade de penetraçªo no material a ser usinado.

A convergŒncia do feixe pode ser ajustada por meio de lentes magnØticas.

Dependendo do modo como o feixe Ø aplicado sobre a peça, pode ser usado para outras finalidades, alØm da soldagem, como o tratamento tØrmico, o corte de materiais e a microusinagem.

A figura a seguir mostra como a localizaçªo do ponto de foco possibilita a obtençªo de diferentes aplicaçıes do feixe.

As aplicaçıes que mais nos interessam, nesta aula, sªo o corte, a furaçªo e a microusinagem.

Equipamento bÆsico para produçªo do feixe de elØtrons

O pioneiro na utilizaçªo de feixes de elØtrons foi Steigerwald, que projetou uma mÆquina protótipo em 1947. As modernas mÆquinas de feixe de elØtrons funcionam pelos mesmos princípios, atØ hoje.

Analise a figura a seguir. Ela mostra uma representaçªo esquemÆtica de uma mÆquina industrial para produçªo de feixes de elØtrons. Os componentes bÆsicos, presentes em todas as mÆquinas, sªo: canhªo emissor de elØtrons, lentes de focalizaçªo e sistema de ajuste de foco. Estes componentes estªo alojados numa câmara de vÆcuocâmara de vÆcuocâmara de vÆcuocâmara de vÆcuocâmara de vÆcuo, que atinge atØ 10-4 Torr Torr Torr Torr Torr.Torr: unidade de medida de pressão.

Equivale a 1/760 da atmosfera normal.

O nome é uma homenagem ao italiano Torricelli, que desenvolveu os estudos pioneiros nessa área.

AULAO canhªo emissor de elØtronscanhªo emissor de elØtronscanhªo emissor de elØtronscanhªo emissor de elØtronscanhªo emissor de elØtrons, que sempre trabalha em alto vÆcuo (10-4 Torr), Ø o dispositivo que gera os elØtrons. É composto, basicamente, de um mecanismo de emissªo e aceleraçªo dos elØtrons, constituído pelo cÆtodocÆtodocÆtodocÆtodocÆtodo e pelo ânodoânodoânodoânodoânodo.

O cÆtodo, que Ø montado dentro de uma vÆlvula conhecida por “Wehnelt”,

Ø feito de um filamento de tungstŒnio, e quando aquecido atØ 2.500°C ou 3.000°C, liberta elØtrons.

A alimentaçªo do canhªo Ø feita por um transformador especial de altatensªo, que produz uma grande diferença de potencial (ddp) entre o cÆtodo e o ânodo, da ordem de 150kV, suficiente para acelerar os elØtrons em direçªo à peça a ser usinada. Os elØtrons assim acelerados chegam a atingir de 0,2 a 0,7 da velocidade da luz.

Os elØtrons acelerados sªo direcionados para o ânodo e o atravessam saindo por um orifício na extremidade. Na saída do ânodo, os elØtrons acelerados passam pelo diafragma que serve para fazer convergir o feixe . Mesmo no vÆcuo, o feixe tende a dispersar-se. Para evitar essa dispersªo, ele Ø conduzido atravØs de um conjunto de lentes magnØticas.

O sistema de controle para ajuste de focosistema de controle para ajuste de focosistema de controle para ajuste de focosistema de controle para ajuste de focosistema de controle para ajuste de foco, que permite manter a direçªo do feixe para a peça usinada, Ø constituído por um conjunto de bobinas de deflexªodeflexªodeflexªodeflexªodeflexªo, por dentro das quais passa o feixe de elØtrons. Por essas bobinas passa uma corrente elØtrica, que gera um campo magnØtico. Este campo magnØtico interfere no feixe, para permitir o ajuste de foco, nas posiçıes x e y.

A uma distância determinada das bobinas, obtØm-se o menor diâmetro de feixe (ponto focalponto focalponto focalponto focalponto focal). Nesse ponto tem-se a densidade de energia mÆximadensidade de energia mÆximadensidade de energia mÆximadensidade de energia mÆximadensidade de energia mÆxima, pois toda a energia do feixe estÆ concentrada na menor Ærea possível. Passando o ponto focal, o feixe tende a divergir novamente.

Wehnelt: palavra alemã que quer dizer válvula. Cátodo revestido de óxido de metais alcalinos (cálcio, estrôncio e bário), usado para melhorar a emissão de elétrons a temperaturas moderadas.

Deflexão: mudança de direção do movimento de um raio para um lado (esquerdo ou direito).

AULARemoçªo de material por feixe de elØtrons

As taxas de remoçªo de material na usinagem por feixe de elØtrons sªo usualmente avaliadas de acordo com o nœmero de pulsos requeridos para evaporar uma certa quantidade de material.

O uso de contadores de elØtrons para registrar o nœmero de pulsos permite pronto ajuste do tempo de usinagem, para produzir a profundidade de corte requerida.

Por enquanto, algumas aplicaçıes da usinagem por feixe de elØtrons ainda se encontram em fase experimental, nªo representando uma alternativa competitiva do ponto de vista tØcnico ou econômico, quando comparadas a outros processos. Mesmo assim, a industria aeroespacial, a aeronÆutica e a eletrônica sªo exemplos de Æreas que jÆ vŒm utilizando este processo com resultados positivos na produçªo de mœltiplos microfuros, litografia em semicondutores e microusinagem de peças complexas.

Mas certamente as dificuldades atuais serªo superadas em decorrŒncia do permanente esforço de pesquisa e desenvolvimento voltado para esta Ærea. Portanto, fique atento: nªo perca a oportunidade de conhecer melhor este assunto e se aprofundar nele, acompanhando os eventos que divulgam tecnologias de ponta. Enquanto isso, aproveite para conhecer os princípios bÆsicos de outro processo avançado de usinagem.

Usinagem por ultra-som

A usinagem por ultra-som Ø um processo que permite executar penetraçıes de formas variadas em materiais duros, frÆgeis e quebradiços como o vidro, a cerâmica e o diamante, que dificilmente seriam obtidas pelos processos convencionais.

numa freqüŒncia que pode variar de 20 kHza 100 kHz.

Na usinagem por ultra-som, uma ferramenta Ø posta para vibrar sobre uma peça mergulhada em um meio líquido com pó abrasivo em suspensªo,

Fique por dentroFique por dentroFique por dentroFique por dentroFique por dentro

As freqüŒncias de sons audíveis pelo ouvido humano estªo na faixa de 20Hz a 20kHz.

Os sons com freqüŒncia abaixo de 20 Hz sªo chamados infra-sonsinfra-sonsinfra-sonsinfra-sonsinfra-sons. Os sons com freqüŒncia acima de 20kHz sªo chamados ultra-sonsultra-sonsultra-sonsultra-sonsultra-sons.

Hertz (Hz): unidade de medida de freqüência. Um Hz corresponde a um ciclo por segundo. O kHz (quilohertz) é um múltiplo do Hz e equivale a 1000 ciclos por segundo.

7 AULA

Ondas longitudinais: as partículas vibram na mesma direção da propagação da onda, ou seja, oscilam em torno de sua posição de repouso, em uma direção paralela à direção de propagação.

O “martelamento” produzido pelas vibraçıes Ø capaz de erodir o material, formando uma cavidade com a forma negativa da ferramenta. Nªo hÆ contato entre a ferramenta e a peça. A usinagem Ø feita pelos grªos finos e duros do material abrasivo, que atacam a superfície da peça.

A ferramenta nªo precisa ser muito dura, podendo ser feita de material fÆcil de usinar, uma vez que nªo entra em contato com a peça.

Uma variaçªo desse processo de usinagem Ø obtida com o uso de uma ferramenta rotativa, que aumenta a capacidade de remoçªo do material erodido. Quando conjugado com uma mesa do tipo CNC, o equipamento com ferramenta rotativa possibilita a obtençªo de figuras complexas, por contorneamento.

O processo de usinagem por ultra-som aproveita a energia de vibraçªoenergia de vibraçªoenergia de vibraçªoenergia de vibraçªoenergia de vibraçªo mecânicamecânicamecânicamecânicamecânica, comunicada aos grªos de abrasivo, que vibram na mesma direçªo do sonotrodosonotrodosonotrodosonotrodosonotrodo .

O sonotrodosonotrodosonotrodosonotrodosonotrodo Ø constituído por uma barra metÆlica, na qual se ativam as vibraçıes ultra-sonoras, no sentido do seu eixo. Na ponta do sonotrodo Ø fixada a ferramenta, com a forma inversa da que se deseja dar à peça a ser usinada.

As vibraçıes mecânicas só se propagam atravØs de um meio material, nunca no vazio. Essas vibraçıes transmitem-se por excitaçªo das molØculas, que oscilam ao redor de sua posiçªo de repouso.

Um ponto em oscilaçªo, partindo de uma posiçªo extrema e voltando a esta posiçªo, completa um ciclociclociclociclociclo e tem uma amplitudeamplitudeamplitudeamplitudeamplitude (A) determinada. O nœmero de ciclos efetuados por unidade de tempo, ou freqüŒnciafreqüŒnciafreqüŒnciafreqüŒnciafreqüŒncia das oscilaçıes, Ø uma característica essencial das vibraçıes. A amplitude Ø dada pelo mÆximo afastamento do ponto em relaçªo a sua posiçªo de equilíbrio.

O conjunto de vibraçıes locais e sua propagaçªo formam uma onda de vibraçıes. As ondas se propagam atravØs dos materiais a uma velocidade constante. Esta velocidade depende da natureza do material e do tipo de onda considerado. Para as aplicaçıes industriais, as ondas longitudinaisondas longitudinaisondas longitudinaisondas longitudinaisondas longitudinais sªo as mais utilizadas.

DicaDicaDicaDicaDica

Para saber mais sobre ondas mecânicas, consulte a Aula 2121212121 do módulo Ensaios de MateriaisEnsaios de MateriaisEnsaios de MateriaisEnsaios de MateriaisEnsaios de Materiais, que trata de ensaio por ultra-som.

Geraçªo dos ultra-sons

A maior parte dos corpos materiais possui certas propriedades elÆsticas.

Isto quer dizer que, se uma parte do corpo Ø forçada alØm de sua posiçªo natural, a reaçªo do corpo tende a trazer esta parte de volta para o seu lugar. Produz-se, assim, um movimento de oscilaçªo comparÆvel ao de um pŒndulo de mola.

7 AULA

Cada corpo tem uma freqüŒncia própria de vibraçªo. A produçªo dos ultrasons utiliza essa capacidade de vibraçªo que os corpos apresentam.

Uma das formas possíveis de produzir ultra-som vale-se do efeito Jouleefeito Jouleefeito Jouleefeito Jouleefeito Joule magnØtico, magnØtico, magnØtico, magnØtico, magnØtico, tambØm conhecido como magnetostriçªomagnetostriçªomagnetostriçªomagnetostriçªomagnetostriçªo.

Na mÆquina de ultra-som para usinagem, a parte mais importante da cabeça ultra-sonora, que funciona segundo o princípio da magnetostriçªo, Ø constituída por uma haste em liga de níquel, que Ø envolvida por uma bobina, percorrida por uma corrente de alta freqüŒncia. O campo magnØtico gerado pela passagem da corrente atravØs da bobina provoca a vibraçªo da haste metÆlica, no sentido do eixo.

(Parte 1 de 2)

Comentários