Wire electrical discharge machining of Nd-Fe-B magnets

Abstract

O processo de corte por descargas elétricas ou eletroerosão é amplamente utilizado para operações de usinagem em que a precisão e a geometria complexa do corte são importantes requisitos de projeto. Na fabricação de ímãs condutores, este processo é empregado para cortar os blocos sinterizados de ligas magnéticas. Uma dessas ligas é composta majoritariamente de neodímio, ferro e boro. Ímãs de neodímio-ferro-boro (Nd- Fe-B) são amplamente utilizados devido ao seu alto valor de produto de energia em tecnologias como turbinas eólicas, carros elétricos e discos rígidos. Este material apresenta comportamento quebradiço e frágil, o que dificulta sua usinagem por métodos convencionais como torneamento, serramento e fresamento. Nesse contexto, tornaram- se relevantes os aspectos de usinagem desse material através de métodos não convencionais, como a usinagem por descargas elétricas, do inglês, electrical discharge machining (EDM). O presente trabalho tem como objetivo entender melhor como os parâmetros de eletroerosão a fio afetam a rugosidade, integridade da superfície e propriedades magnéticas de amostras de Nd-Fe-B obtidas a partir de um bloco de ímã de aerogerador. As amostras foram usinadas em formato de paralelepípedos quadrados com lado de 5mm e altura de 250µm. Foram escolhidas quatro condições de corte, sendo uma delas classificada como desbaste, duas condições semelhantes classificadas como condições de semi-acabamento e uma condição de corte classificada como condição de acabamento de acordo com as especificações da máquina utilizada. O material do fio utilizado foi molibdênio e o dielétrico uma solução de óleo mineral e água destilada. As amostras com altura micrométrica foram caracterizadas com a utilização de rugosimetro, microscópio óptico, microscopia eletrônica de varredura e com magnetômetro de amostra vibrante. Os resultados obtidos foram utilizados nas caracterizações serviram para comparar o nível de dano que cada condição de corte causou nas amostras com relação a integridade de superfície e propriedades magnéticas como remanência e coercividade.

Abstract: Neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B) magnets were first sintered in the early 1980s. They are known for their applications in technologies such as wind turbines, electric cars and hard drives. This material presents brittle behavior, which makes its machinability difficult by conventional methods such as turning and milling. In this context, the machining aspects of this material with unconventional methods such as electrical discharge machining (EDM) became relevant. The aim of this study is to understand how the variation of EDM machining parameters influences the results of surface integrity, roughness and magnetic properties of Nd-Fe-B magnets. A Nd-Fe-B wind turbine magnet block was machined into samples by the wire electrical discharge machining (WEDM) process. This wind turbine block was machined with an AgieCut Challenge machine from the manufacturer Charmilles using a molybdenum wire with a diameter of 0.18 mm. Based on the literature and the available parameters of the machine, four cutting conditions were chosen: roughing, semi-finishing and two finishing conditions. After the machining, the surface roughness, surface morphology, chemical composition, coercivity and remanence of the samples were analyzed. The resulting roughness for each cutting condition was characterized with a Taylor Surf rugosimeter, Form TaylorSurf il20 model and the data for all samples treated with MountainView software. To evaluate the surface morphology, chemical element map and cross section, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) techniques were used. The results showed that a phenomenon of spheroidization of the machined material occurred mainly for the roughing condition, where a layer of remelted material in the form of spheres was not removed by the dielectric and was stuck on the surface of the material. This layer of spheres caused a considerable increase in the roughness values and also a significant detrimental effect in the magnetic properties of the samples, when compared with the samples machined by the semi-finishing and finishing conditions. Based on the analysis, the following conclusions could be drawn from this work: although the WEDM process is indicated for Nd-Fe-B machining, the use of post-processing is necessary to eliminate the layer of remelted material that remains on the surface, which has an impact on the magnetic properties of the magnets with a reduction of 30% in coercivity and 27% and remanence for magnets machined by rough machining when compared to finishing machining.