Guia comparativo de usinagem mecânica, química e eletroquímica

À medida que a engenharia moderna evolui, a procura por processos de maquinagem avançados continua a crescer. Isto tem levado os fabricantes a recorrerem cada vez mais a novos métodos para satisfazer requisitos de produção exigentes.

A maquinagem mecânica, química e eletroquímica recorre a três mecanismos fundamentalmente diferentes para a remoção de material. A escolha entre eles não se resume a determinar qual é o melhor ou o mais preferível. A principal consideração prende-se com a geometria da peça, a dureza do material, a tolerância à tensão residual ou a espessura da parede.

Este guia analisa as três famílias em termos de acabamento superficial, tolerância, compatibilidade de materiais e custos de engenharia, para que as equipas de compras possam selecionar o processo adequado antes de solicitarem orçamentos.

O que distingue estas três famílias de usinagem?

A maquinagem mecânica recorre a um procedimento de fabrico subtrativo para remover material de uma peça em bruto. O processo envolve o contacto direto com uma ferramenta de corte, como uma broca ou uma fresa rotativa, para criar a característica pretendida, recorrendo ao cisalhamento mecânico e à deformação plástica localizada para formar aparas ^[1]. A qualidade da superfície e os parâmetros dimensionais do produto final dependem de fatores como a matéria-prima, a ferramenta de corte e os parâmetros da máquina. A usinagem suíça (torneamento de tipo suíço) e a fresagem CNC enquadram-se nesta categoria.

A usinagem química remove material através da dissolução de partes da superfície metálica em produtos químicos líquidos corrosivos. Utiliza-se um máscara ou fotorresistência para proteger as áreas que devem permanecer intactas. A fotogravura (fotoquímica), a fresagem química e o corte aplicam o mesmo princípio de remoção de material. A escolha entre estas técnicas depende da espessura e da geometria do material.

A maquinagem eletroquímica (ECM) remove material exclusivamente por dissolução anódica, sem contacto mecânico ou térmico. Por sua vez, a maquinagem por descarga elétrica (EDM e WEDM) recorre à erosão por faísca. Uma vez que não há aplicação de força de corte física nestes processos não tradicionais, são altamente adequados para a maquinagem de aço para ferramentas endurecido e de contornos complexos que danificariam uma fresa convencional.

Em que aspetos é que o acabamento da superfície e a tolerância se comparam?

Compreendemos que as capacidades de maquinagem variam consideravelmente; por isso, os valores concretos têm mais valor do que as afirmações genéricas. Compreender esta relação é fundamental, uma vez que as especificações de tolerância e de acabamento superficial costumam determinar as decisões de aquisição.

O física que rege também influencia a forma como o processo de maquinagem remove material e se comporta.

Na fresagem química, os engenheiros devem ter em conta as alterações dimensionais resultantes da fresagem, incorporando margens de corrosão na peça inicial. Isto implica adicionar material equivalente à profundidade de corrosão prevista, acrescida de um fator de tolerância de 10-20%.

No caso da fotogravura, a compensação do recorte é um aspeto crítico devido à natureza isotrópica da gravação química. Esta remove material por baixo da máscara de fotorresist à medida que grava ao longo da espessura vertical. O fator de gravação varia entre 1:1 e 3:1, dependendo do processo e do material.

Na EDM, o Ra (rugosidade da superfície) e a tolerância estão intimamente relacionados. Acabamentos lisos com um controlo mais rigoroso do Ra <1,5 μm devem ser combinados com uma tolerância de ±0,010 mm. Se houver a exigência de um acabamento espelhado sem flexibilizar a tolerância dimensional, o tempo de ciclo aumentará significativamente.

Que materiais é que cada processo consegue, de facto, processar?

A fresagem CNC / usinagem suíça permite trabalhar com uma vasta gama de ligas, metais e plásticos técnicos. Exemplos de ligas incluem aços inoxidáveis, latão e ligas de alumínio (Al7075, 6061), titânio e plásticos como o PEEK e o Delrin. A maquinação multieixos permite a realização de geometrias 3D complexas e de recortes que a maquinação suíça não consegue executar devido às suas peças rotativas de secção estreita.

A fresagem química é comum no alumínio e nas suas ligas. Outros metais, como o magnésio, o titânio, o cobre e alguns metais refratários (tântalo, molibdénio), também são maleáveis. A fresagem química resolve um problema metalúrgico específico que os métodos mecânicos não conseguem resolver. É capaz de remover a camada frágil alfa da superfície das peças forjadas de titânio, onde, se realizada mecanicamente, a retificação introduz tensões residuais e acarreta o risco de formação de fissuras nos materiais. Esta capacidade ajuda a reduzir o peso em superfícies curvas complexas, como os painéis de revestimento dos fabricantes de equipamento original (OEM) do setor aeroespacial.

A fotogravura/desbaste químico é aplicável a metais como o aço inoxidável, ligas de níquel, latão, cobre, Kovar, Invar e aços para molas. É adequada para folhas e chapas com uma espessura entre 0,01 mm e 2 mm.

A EDM/WEDM é ideal para quaisquer materiais eletricamente condutores. As opções mais comuns são o aço temperado, o latão, o carboneto e as ligas de titânio. A principal vantagem da EDM reside na capacidade de moldar com precisão metais duros e condutores que são difíceis ou impossíveis de maquinar através de outros processos.

Fatores de custo e tempo de execução em cada processo.

Os custos e os prazos de entrega da fresagem CNC e da usinagem suíça devem-se principalmente a:

• A escolha do material influencia o custo, tanto no que diz respeito ao preço da matéria-prima como à usinabilidade. Por exemplo, um bloco de titânio é caro em comparação com o alumínio; no entanto, demora três vezes mais tempo a cortá-lo.
• A geometria das peças, como paredes finas, cavidades profundas e recortes, requer ferramentas especiais e operações com várias configurações.
• A complexidade da configuração, como tolerâncias apertadas, por exemplo, +/- 0,005″, implica custos mais elevados, uma vez que exige uma velocidade de corte mais baixa, aumenta a frequência das inspeções e requer um acabamento adicional para atingir os parâmetros exatos.

Os fatores que determinam os custos e os prazos de entrega da usinagem química são:

• A espessura do material — no caso de materiais mais espessos (>1,5 mm — aumenta o tempo de gravação, o consumo de energia e o consumo de produtos químicos.
• Quantidade por lote em que as peças são cotadas por folha, em vez de por cortes individuais, reduzindo assim o custo unitário.
• Operações secundárias, como revestimento, tratamento térmico ou inspeções específicas de controlo de qualidade, acarretam custos adicionais.

Os custos da EDM e da WEDM dependem em grande medida das tarifas horárias das máquinas, da espessura das peças e das taxas de configuração.

• As tarifas horárias das máquinas para trabalhos padrão e os custos das máquinas subcontratadas situam-se entre $75-$120/hora, enquanto os especialistas em alta precisão cobram $100-$150/hora. Além disso, os prazos de entrega para peças personalizadas variam entre 3 e 10 dias, tanto na fase de prototipagem como na produção.
• O tipo de material e a dureza determinam uma diferença, em que materiais como os aços para ferramentas endurecidos são cortados mais rapidamente do que o aço laminado a frio recozido. O aço laminado a frio contém impurezas que interrompem a descarga. As velocidades de corte diminuem à medida que a espessura do material aumenta.
• A qualidade da superfície é melhorada através de cortes de acabamento adicionais. A eletroerosão por fio, sendo um processo de múltiplas passagens, permite atingir valores de Ra entre 2,5 e 3,2 µm. Uma única passagem de acabamento permite atingir um valor de Ra de 0,4 µm, enquanto duas a três passagens permitem atingir valores de Ra de 0,25 µm ou inferiores. Cada passagem aumenta o tempo de maquinagem e os custos adicionais com ferramentas.

Comparação de processos de maquinagem: CNC/suíço vs. químico vs. EDM.

A fresagem CNC e a usinagem suíça são as mais indicadas para formas 3D complexas, caixas em bloco e peças cilíndricas de alta precisão. Os componentes que exigem elevada precisão dimensional, durabilidade mecânica e acabamento superficial são produzidos de forma ideal através destes processos.

Quando fabricamos peças como caixas de alumínio e invólucros em ABS de qualidade médica, a fresagem permite controlar a espessura das paredes, a precisão das roscas e a geometria dos ressaltos numa única configuração. Esta abordagem minimiza os erros decorrentes de novas fixações e garante tolerâncias rigorosas em todo o componente. A fresagem suíça é ideal para componentes de pequeno diâmetro, longos e rotativos, como eixos e pinos.

A fresagem química é a melhor opção para componentes de grandes dimensões e paredes finas, com características complexas e acabamentos lisos. Este processo não altera a estrutura granular interna do metal, pelo que não provoca tensões mecânicas. O material dissolvido quimicamente na fotogravura e no corte químico não forma as rebarbas produzidas na maquinagem convencional. Ao remover material apenas onde é necessário, este processo reduz o desperdício de material e os custos adicionais de acabamento. A fresagem química destaca-se na indústria aeroespacial pela redução de peso numa ampla superfície.

A Machinação Eletroquímica (ECM) é muito valorizada pela sua capacidade de maquinar formas complexas sem causar qualquer tensão térmica ou mecânica nas peças. Por outro lado, a EDM e a WEDM são ideais para dar forma a metais duros e condutores, criando detalhes intricados, como cantos internos acentuados e orifícios finos, sem forças físicas de corte. Embora a WEDM elimine a necessidade de uma pré-usinagem mais suave na fabricação de matrizes e moldes, cria uma camada de refundição e uma zona afetada pelo calor (HAZ) devido à erosão por faísca, o que pode exigir um pós-processamento para aplicações sensíveis, uma vez que a elevada energia térmica localizada derrete e arrefece rapidamente a microestrutura da superfície ^[2].

Conclusão

Entre os processos de maquinagem abordados, não existe um método único que funcione para todas as peças ou que seja superior aos outros. Para obter melhores resultados, é fundamental combinar as suas capacidades ou escolher o método mais adequado às suas necessidades.

Na First Mold, acreditamos que melhores decisões de fabrico conduzem a melhores resultados de engenharia. É por isso que nos comprometemos a fornecer informações práticas e comprovadas pela experiência, nas quais os engenheiros e fabricantes podem confiar plenamente. Se pretende explorar diferentes técnicas de produção, criar ou otimizar projetos, a escolha do processo certo é essencial. Com uma equipa experiente a fornecer a orientação adequada para a sua aplicação, a excelência está garantida.

Referência

[1] Davies, M. A., et al. (2007). Sobre a medição da temperatura na usinagem. Anais do CIRP – Tecnologia de Fabrico, 56(2), 781-804. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2007.10.009

[2] Ho, K. H., & Newman, S. T. (2003). O estado da arte da usinagem por descarga elétrica (EDM). Revista Internacional de Máquinas-Ferramentas e Fabricação, 43(13), 1287-1300. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(03)00162-7