Na década de 40 os processos de usinagem não-tradicional (UNT) ganharam força devido à sua capacidade de usinar peças com dureza acima de 55 HRC e com alto grau de complexidade dimensional. Entretanto, esses processos garantem tolerâncias estreitas e acabamento satisfatório⁽¹⁾. O processo de EDM, que frequentemente é chamado de processo de usinagem por eletroerosão dentro da indústria metalmecânica, é o que se popularizou primeiramente dentre todos os outros processos não tradicionais, e foi o grande responsável pelo crescimento econômico japonês até a década de 90 no setor automobilístico⁽⁵⁾. Apesar da popularização do processo e de suas inúmeras aplicações, ele promove baixa taxa de remoção de material, quando comparado com processos tradicionais. O processo EDM é limitado no quesito acabamento superficial e afeta metalurgicamente as camadas superficiais e sub-superficiais das peças usinadas⁽⁵⁾. Na literatura há autores que comentaram que as superfícies usinadas por EDM deveriam ter acabamento obtido por meio de outros processos, tais como ultrassom ou processos eletroquímicos, visando eliminar a camada refundida^{(3, 9)}.

A adição de pós ao fluido dielétrico foi sinalizada como uma tecnologia altamente promissora para a obtenção de superfícies com ótimo acabamento. Outra vantagem é a alta estabilidade do processo,que se deve à maior dispersão das descargas e ao aumento da interface ferramenta-peça⁽⁸⁾. Já foi obtido um aumento da taxa de remoção de material e percebida uma diminuição do desgaste da ferramenta ao adicionar pó de grafite ao fluido dielétrico, que neste caso foi querosene⁽⁴⁾. Apesar do surgimento de diferentes métodos e tecnologias promissoras ao longo de 65 anos da primeira aplicação industrial do processo de EDM, a literatura indica que as dificuldades ainda existem, principalmente no que tange ao desgaste do eletrodo, aumento da taxa de remoção de material e qualidade superficial⁽⁷⁾.

Este trabalho se restringe ao regime de desbaste, diferentemente dos trabalhos mencionados anteriormente, que em sua maioria estudaram os efeitos da adição de pós ao fluido dielétrico em regime de acabamento. Nanopartículas com multicamadas de grafeno foram usadas para estudar os efeitos de sua presença no fluido dielétrico sobre a relação de desgaste (RD), a taxa de remoção de material (TRM) e alguns parâmetros de textura superficial.

O material usinado foi o aço rápido ABNT M2, que possibilita a comparação de alguns parâmetros aqui abordados com os abordados na literatura⁽²⁾.

 

Metodologia

O trabalho experimental consistiu na usinagem do aço rápido ABNT M2 por eletroerosão, em duas situações: somente com fluido dielétrico e com multicamadas de grafeno adicionadas ao fluido dielétrico. O objetivo era entender como a adição desse material influencia a TRM, RD e alguns parâmetros de qualidade superficial (Ra, Rz e Rt) do processo, bem como a camada de material refundido depositado na superfície das peças usinadas. Foram feitos pré-testes para analisar e definir o ferramental a ser usado e como o fluido dielétrico se comportaria nas condições estabelecidas, já que o volume da cuba foi reduzido drasticamente para que não houvesse a contaminação de todo o reservatório de fluido dielétrico da máquina. Além disso, investigou-se a necessidade de um agitador, para que o pó conseguisse permanecer na interface ferramenta-peça e o processo fosse considerado válido.

Feitos os pré-testes, procedeu-se à preparação das ferramentas, em cobre eletrolítico, usinadas por torneamento. Os corpos de prova de aço rápido ABNT M2, popularmente conhecidos como “bits”, foram cortados também pelo processo de EDM, para facilitar a pesagem das amostras em balança de precisão com carga máxima de 360 g. Pela ampliação de 100 vezes em microscópio óptico da Carl Zeiss Jena, modelo Neophot 21, com sistema de medição incorporado à objetiva, foram obtidas as imagens da superfície eletroerodida com e sem a adição de grafeno no fluido dielétrico. Nos ensaios finais, foram feitos nove testes com o fluido sem grafeno e seis testes com 120 mg/l de grafeno misturados ao fluido dielétrico, sendo obtidos valores para análise dos parâmetros de RD, TRM e qualidade superficial. A cada três testes, foi trocado o fluido da cuba. A profundidade usinada foi fixada em um milímetro e as repetições foram realizadas para análises estatísticas sobre a variação dos parâmetros de qualidade superficial.

 

Equipamento de eletroerosão

Tanto os testes preliminares quanto os definitivos foram realizados em um equipamento EDM por penetração, S430 CNC, fabricado pela Clever e disponível no departamento de Engenharia Mecânica da UFTM. O sistema de lavagem interna da ferramenta foi desconectado e usado como um sistema de arrefecimento.

 

Peça a ser usinada

O material da peça a ser usinada nos testes foi o aço rápido ABNT M2. O fabricante comenta que este tipo de material é fabricado conforme a norma DIN 4964, temperado e revenido com dureza em torno de 65 HRC. Os bits obtidos são de seção quadrada de 10 x 10 mm e comprimento de 100 mm, antes de serem cortados em quatro partes iguais pelo processo de EDM adaptado, para fabricação dos corpos de prova. A composição do material, disponibilizada pelo fabricante, é mostrada na tabela 1. Este tipo de aço foi escolhido porque apresenta características físicas e estruturais muito bem definidas e alto grau de confiabilidade, mencionado também na literatura⁽²⁾. A peça foi usinada de topo por uma ferramenta com face plana para realizar um rebaixo em uma de suas quatro laterais em 1 mm. O resultado da usinagem favorece a realização posterior das análises de rugosidade e micrografia.

 

 

Ferramental usado

Define-se como ferramental o conjunto que inclui desde a ferramenta a ser usada, o sistema de fixação da mesma, até o sistema de aplicação de fluido⁽¹⁾. O material usado neste trabalho foi o cobre eletrolítico, devido aos altos valores de relação de desgaste que o mesmo apresenta. Esses valores são atribuídos à alta condutividade térmica deste tipo de cobre⁽⁸⁾.

A forma e as dimensões da ferramenta são mostradas na figura 1(a). Outras propriedades desse metal são mostradas na tabela 2. O sistema de fixação e a cuba foram projetados exclusivamente para este trabalho. A cuba foi reduzida drasticamente em volume para garantir o uso racional das nanopartículas de grafeno, além do que consumiria o dobro de fluido dielétrico. Usou-se uma cuba com capacidade para 1,8 litro e o sistema de fixação foi acoplado a ela, garantindo perpendicularismo entre a ferramenta e a base de apoio do material a ser usinado (figura 1(b)).

 

Figura 1 – Ferramental empregado: a) eletrodo-ferramenta; e b) sistema de fixação dos corpos de prova. Napolitano (2018)

 

Após os testes preliminares, percebeu-se que havia a necessidade de um sistema de arrefecimento, uma vez que havia restrição volumétrica da cuba, para não ocorrer a contaminação de todo o reservatório de dielétrico, pois o mesmo apresentava temperatura próxima à do seu ponto de fulgor. Esse sistema foi implementado utilizando o próprio sistema de aplicação de fluido do equipamento de EDM, ao qual foi adaptado um trocador de calor do fluido dielétrico por condução.

 

Testes definitivos

Feita a separação dos “bits”, tornando-os corpos de prova menores, foi iniciada a fase de testes definitivos, em que foi usado o mesmo fluido dielétrico das fases de pré-testes (características mostradas na tabela 3), uma mistura de hidrocarbonetos saturados da marca Archem, adquirido da empresa ITW Chemical Products Ltda. Em resumo, os parâmetros de usinagem utilizados, em regime de desbaste, são mostrados na tabela 4.

 

 

 

Fez-se a usinagem de todos os 15 corpos de prova, sendo nove deles submetidos à ação do fluido dielétrico e seis à ação do fluido dielétrico com nanopartículas de grafeno. A troca do fluido a cada três testes foi feita para que as partículas desprendidas não se acumulassem muito, dado o volume reduzido da cuba instalada. As diferenças entre a massa inicial e a final, necessárias para a realização dos cálculos de TRM e RD, foram quantificadas por meio de uma balança analítica da marca Marte, modelo BL320H, com resolução de até 1 mg.

Antes de ser feita a pesagem ao final da usinagem, as ferramentas e as peças foram imersas em acetona e agitadas por processo ultrassônico durante cerca de dois minutos, para que nenhum resíduo superficial estivesse presente. Para analisar a qualidade superficial das peças usinadas, três parâmetros foram usados: Ra, Rz e Rt. Foi usado um rugosímetro da marca Taylor Hobson, Modelo Surtronic 25, com a utilização de cut-off configurado em 2,5 mm. Realizaram-se três medições em cada corpo de prova com o equipamento, em três locais diferentes, visto que não há marcas de avanço neste tipo de usinagem, e os resultados obtidos são as médias dos valores encontrados.

 

Resultados

Taxa de remoção de material (TRM)

A figura 2 mostra os resultados médios de TRM, na qual o desempenho do fluido dielétrico com e sem nanopartículas de grafeno pode ser comparado. A adição de nanopartículas de grafeno permitiu um aumento da TRM. Entretanto, o aumento não se mostrou significativo, visto que ficou entre 0,6% e 1,75%, sendo a maior diferença pronunciada na primeira utilização do fluido. Análises de estudos anteriores corroboram este resultado, uma vez que seus resultados indicam que a concentração de resíduos melhora a TRM até uma concentração ideal, e depois volta a diminuir⁽⁶⁾.

 

Figura 2 – TRMs do processo de EDM com e sem adição de grafeno ao fluido dielétrico

 

O aumento da TRM, apesar de pequeno, deve-se também ao efeito de dispersão das descargas elétricas, pois diminui o tempo de usinagem consideravelmente, por não haver acúmulo de material localizado em alguns pontos, estagnando o processo e gerando curto-circuitos⁽⁸⁾. A adição de pós ao fluido atenua a queda brusca da tensão no início da descarga, aumentando o ciclo ativo do processo EDM, que, por sua vez, melhora a eficiência do processo⁽⁴⁾.

O mecanismo de propagação da corrente elétrica mencionado na literatura indica que a corrente elétrica tem sua percolação pelas menores distâncias no material para se propagarem, e as partículas ajudam a diminuir esta diferença de potencial⁽⁶⁾. Porém, isso faz com que as partículas de grafeno sejam usinadas antes da peça em si, o que pode ter causado a baixa diferença entre a usinagem usando fluido dielétrico com e sem grafeno, diminuindo a eficiência da adição.

 

Relação de desgaste (RD)

A figura 3 mostra os resultados médios da RD, na qual o desempenho do fluido com e sem grafeno pode ser comparado. A relação de desgaste normalmente se comporta de maneira inversamente proporcional à taxa de remoção de material, porém fica evidente que isso não ocorreu nas primeiras utilizações do fluido. Isso mostra como há um espaço grande e promissor para pesquisas de adição de pós nos fluidos dielétricos em regime de desbaste. A maior diferença observada foi na segunda utilização do fluido, em que houve um aumento considerável da relação de 32%. Apesar desse resultado interessante, deve-se salientar que a literatura indica que relações de desgaste muito satisfatórias estão na casa de 100:1, resultados 20 vezes menores dos obtidos nesses experimentos⁽²⁾. Tal efeito pode ter ocorrido devido à impregnação de partículas de grafeno na ferramenta, à utilização de balança sem a resolução necessária para mensurar a diferença entre a massa inicial e a final da ferramenta (que se desgastou muito pouco) e/ou devido à pequena profundidade que foi programada para ser realizada na peça (1 mm), mesmo em se tratando de um regime de desgaste.

 

Figura 3 – RDs do processo de EDM com e sem adição de grafeno ao fluido dielétrico

 

Parâmetros de amplitude superficial

Nas figuras 4 e 5 são mostrados os valores médios da rugosidade obtida após o processo de usinagem, indicando como a qualidade superficial das peças se altera com e sem a adição de grafeno. Sobre os parâmetros Ra e Rt, não se pode afirmar, pelo desvio padrão, que a adição de nanopartículas de grafeno ao fluido contribuiu efetivamente para a melhoria do acabamento, mas na média houve uma redução não significativa, menor que 5%, visto que não se consegue observar um padrão dentro dos resultados, além dos valores encontrados ficarem bem próximos, em ambos os regimes (figura 5).

 

Figura 4 – Rugosidade das peças usinadas com e sem adição de grafeno ao fluido dielétrico: a) Ra; e b) Rt

Figura 5 – Rugosidade Rz das peças usinadas com e sem adição de grafeno ao fluido dielétrico

 

Já o parâmetro Rz apresenta ligeiro aumento quando é usado grafeno, principalmente na primeira utilização do fluido, quando não há resíduos em sua composição (a não ser o próprio grafeno) (figura7). Neste caso, o aumento foi de 7%, aproximadamente. Fica claro também que esta progressão vai diminuindo a cada utilização do fluido, uma vez que a concentração de resíduos dos fluidos com e sem nanopartículas de grafeno vai aumentando.

 

Figura 7 – Micrografia sem o emprego de partículas de grafeno no fluido dielétrico

 

Micrografias

A imagem mostrada na figura 6 é uma micrografia da granulometria da estrutura do material de base, aço rápido ABNT M2, revelado com ataque com solução de Nital e Vilela, denominado nigreen, com ampliação de 100 vezes em microscópio óptico Carl Zeiss Jena, modelo Neophot 21, com sistema de medição incorporado à objetiva. O material é um aço-ferramenta que foi fornecido pela Villares Metals S.A., que combina excelente tenacidade, dureza (64 a 66 HRc) e resistência à abrasão, indicado para a fabricação de ferramentas de usinagem em geral. Entretanto, é inviável a sua usinagem pelos processos convencionais. 

 

Figura 6 – Micrografia do material de base revelado por nigreen

 

A imagem mostrada na figura 7 é uma micrografia do resultado da usinagem por descargas elétricas sem o uso de adições em suspensão. É notória a formação de uma camada refundida mais espessa e não uniforme ao longo da borda da superfície, com dispersão de trincas e formação de vazios. Esses detalhes não favorecem a peça quando em uso devido à sua fragilidade de desprender micro partes que funcionaram como um terceiro elemento tribológico ao sistema. Já a figura 8 mostra uma micrografia do resultado da usinagem por descargas elétricas com o emprego de adições em suspensão. Percebe-se que a camada agora tem a sua espessura mais uniforme ao longo da borda da superfície devido à dispersão melhor das descargas, e possivelmente combinando a partícula em suspensão com o material de base e modificando a forma de ancoragem dessa camada. Segundo a escala presente na micrografia, formou-se uma camada em torno de 26 mícrons. A uniformidade da camada refundida influencia a progressão da usinagem, o que leva a um aumento da taxa de remoção de material.

 

Figura 8 – Micrografia sem o emprego de partículas de grafeno no fluido dielétrico

 

Conclusão

Pelos pré-testes realizados, usando o mesmo fluido dielétrico e material a ser usinado, aço rápido ABNT M2, foram obtidas informações suficientes para que fosse usado um método de arrefecimento da cuba interna, bem como a instalação de um sistema de fixação eficiente dentro dos padrões necessários de posicionamento dos corpos de prova. Além disso, os pré-testes viabilizaram a análise do número de utilizações de fluído, indicando que o mesmo seria trocado a cada três testes. Já nos testes definitivos, usou-se um regime de desbaste no processo EDM para usinar o aço rápido ABNT M2. A adição de grafeno mostrou um aumento da taxa de remoção de material (TRM), com um aumento máximo de 1,75%, pronunciado nos testes quando o fluido estava completamente limpo. Também em relação à TRM, fica claro que os melhores resultados se deram quando o fluido era utilizado pela segunda vez, quando havia uma quantidade considerável de resíduos misturados ao dielétrico, que melhoram a eficiência do processo e as descargas elétricas se tornam mais dispersas provocando este aumento na TRM em ambos os casos (com e sem grafeno).

No que tange à relação de desgaste (RD), esta obteve um maior aumento do que a TRM, em torno de 30% na segunda utilização do fluido. Porém, a RD com uso do grafeno cai bruscamente na terceira utilização do fluido, ao passo que quando não foram usadas nanopartículas de grafeno esta relação de desgaste aumentou na terceira utilização. A qualidade superficial das peças foi pouco alterada. Em se tratando dos parâmetros Ra e Rt, além de pouco se alterarem, não se pode observar padrão algum entre os resultados comparando os processos com e sem a utilização de grafeno. Já o parâmetro Rz aumentou ligeiramente, em 7%, na primeira utilização do fluido. Porém, esse aumento foi reduzindo a cada utilização, até chegar a 0,8% no terceiro processo do fluido. 

Talvez a cuba com volume reduzido tenha dificultado a análise de tais fenômenos, provavelmente devido ao rápido aumento de resíduos após cada processo. Entretanto, as micrografias mostram um resultado promissor pela uniformidade da camada refundida com expressiva redução da quantidade de trincas e vazios.

 

Responsabilidade pelas informações

Os autores são os únicos responsáveis pelas informações apresentadas neste trabalho.

 

Referências

1] Benedict, Gary F. Nontraditional Manufacturing Processes, ISBN 0-8247-7352-7, New York, 1987. 

2] Fernandes, L. A. Efeito da adição de pó de carboneto de silício nos fluidos dielétricos sobre o desempenho da usinagem por descargas elétricas do aço-rápido ABNT M2. Tese (Mestrado em Engenharia Mecânica), Universidade Federal de Uberlândia (UFU), Uberlândia, Brasil, 1999. 

3] Gilmore, R. Ultrasonic polishing – new technology for manufacturing in a new era. EDM Today, 1991.

4] Jeswani, M. L. Effect of the addition of graphite powder to kerosene used as the dielectric fluid in electrical discharge machining. Wear, Vol. 70, pp. 133-139, 1980. 

5] Kobayashi, K. The present and future developments of EDM and ECM. International Symposium for Electromachining – ISEM XI, Lausanne, pp. 29-47, 1995. 

6] Kurafuji, H. & Suda, K. Study on electrical discharge machining. Journal of the Faculty of Engineering, University of Tokyo (B), Vol. XXVIII, No. 1, pg. 1-18, 1965. 

7] Malhotra, N.; Rani, S.; Singh, H. Improvements in performance of EDM – A review. In: Southeastcon, 2008, Huntsville. Anais. Katra: Shri Mata Vaishno Devi Univ, p. 599-603, 2008. 

8] Narumya, H.; Mohri, N.; Saito, N.; Ootake, H.; Tsunekawa, Y.; Takawashi, T.; Kobayashi, K. EDM by powder suspended working fluid. Proceedings of International Symposium for Electro-machining – ISEM IX, Toyota Technological Institute and Mitsubishi Electrical Corporation, Nagoya/Japan, pp.5-8, 1989. 

9] Rhoades, L. Post processing of EDM surfaces. EDM Digest, Vol. XII, 1990. Ficha de informação de segurança de produto químico, elaborado por IWT Chemical Products LTDA., 2017