Aula 9- Usinabilidade dos Materiais
-A usinabilidade pode ser definida como uma grandeza tecnológica que expressa,
por meio de um valor numérico comparativo ( índice de usinabilidade), um
conjunto de propriedades de usinagem de um material em relação a outro tomado
como padrão. Ou seja, expressa o grau de dificuldade para usinar um material.
-Pode-se ter usinabilidade boa ou ruim, em função dos critérios de avaliação
adotados.
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-A usinabilidade depende do estado metalúrgico da peça, da dureza,das
propriedades mecânicas do material,de sua composição química, das operações
anteriores efetuadas sobre o material (a frio ou a quente) e do eventual
encruamento.
-Encruamento = Quando metais são deformados plasticamente, eles aumentam
sua resistência.Este é o fenômeno do encruamento, que depende da taxa de
deformação e da “habilidade” do material em encruar.
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-Mas a usinabilidade não depende apenas do material da peça,depende também
das condições de usinagem: características da ferramenta, condições de
refrigeração,rigidez do sistema máquina-ferramenta-peça-dispositivos de fixação e
das operações executadas (tipo da operação, corte contínuo ou intermitente,
condições de entrada e saída da ferramenta,...)
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Ensaios de Usinabilidade
-Há vários métodos para medir o índice de usinabilidade. O ensaio chamado de
longa duração, é o método mais aceito.O material ensaiado e o material “padrão”
são usinados até o fim da vida da ferramenta (ou valor de desgaste prédeterminado para a ferramenta), em diversas velocidades de corte.
Obtém-se a velocidade de corte para uma determinada vida da ferramenta. Por
exemplo,VC20 ( veloc.corte para uma vida de 20 minutos).
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Ensaios de Usinabilidade
- O índice de usinabilidade I.U. será a relação entre a VC20 do material ensaiado e
a VC20 do material padrão.
I.U. =
VC20 ( do material ensaiado )
VC20 ( material padrão)
O material padrão mais utilizado (ensaio de aços) é o aço AISI B1112.
O I.U. do material padrão é considerado 100%.
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Usinabilidade x Propriedades do Material
É comum se pensar que a usinabilidade é apenas uma propriedade ligada à
dureza do material da peça e à sua resistência mecânica. Segundo este
raciocínio, um material mole é de boa usinabilidade, e um material duro é de baixa
usinabilidade.
Este raciocínio é falso. Pois, além das propriedades citadas,outras podem ser
determinantes para a usinabilidade. Como : microestrutura, quantidade de
inclusões e aditivos presentes, tendência ao empastamento do cavaco,etc.
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Usinabilidade x Propriedades do Material
Por exemplo, pode-se ter um aço inoxidável tipo 303 ( que possui sulfetos de
manganês para melhorar a usinabilidade) com dureza idêntica ao aço inoxidável
tipo 316. Porém, a usinabilidade do primeiro é muito maior que a do segundo.
A seguir será descrito
como algumas propriedades dos materiais podem
influenciar a usinabilidade.
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Usinabilidade x Propriedades do Material
Dureza e resistência mecânica = Valores baixos de dureza e resistência mecânica
geralmente favorecem a usinabilidade. Porém, materiais muito dúcteis (que se
deformam muito, plasticamente, antes de sua ruptura) facilitam a formação da
indesejável aresta postiça de corte.
Ductilidade = Baixos valores de cuctilidade são geralmente benéficos à
usinabilidade,pois facilitam a formação de cavacos curtos. Porém, isto significa
alta dureza. Assim, é necessário o equilíbrio entre dureza e ductilidade.
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Usinabilidade x Propriedades do Material
Condutividade térmica = Uma alta condutividade significa que o calor gerado é
retirado rapidamente da região de corte (absorvido pela peça).Isto favorece a
usinabilidade.Porém, é necessário uma refrigeração eficiente. Esta propriedade
não pode ser facilmente alterada dentro de um determinado grupo de materiais.
Taxa de encruamento = Uma alta taxa de encruamento significa que a resistência
do material é aumentada.Requer mais energia para a formação do cavaco,então,
tem-se baixa usinabilidade.Favorece ainda, a formação da APC.
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Usinabilidade das ligas de Alumínio
O Alumínio , de forma geral, pode ser facilmente usinado.Apenas o magnésio e
suas ligas podem ser usinados com a mesma taxa (baixa) de energia consumida.
O desgaste da ferramenta raramente é um problema.
Com relação à rugosidade obtida e ao tipo de cavaco (longo), não se pode dizer
que o alumínio tem boa usinabilidade, em condições normais. Contudo,as
temperaturas de usinagem são geralmente baixas e pode-se utilizar altas Vc (
que,com a geometria adequada da ferramenta,gerarão bom acabamento)
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Usinabilidade das ligas de Alumínio
Alguns fatores que podem afetar as características de usinagem do alumínio:
elementos de liga,impurezas, processos de fundição e tratamentos aplicados ao
metal.
Sob a mesma força de corte, o alumínio se deforma três vezes mais que o aço.
Assim, as forças de corte necessárias à usinagem são mais baixas (em relação ao
aço) e também não se deve utilizar esforços exagerados na fixação das peças de
alumínio.
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Usinabilidade das ligas de Alumínio
A alta condutividade térmica favorece a usinabilidade. A dureza da liga deve ser
maior que 80 HB, caso contrário, tem-se tendência à formação de APC.
O material de ferramenta típico é o metal duro da classe K, sem cobertura. O
metal duro da classe P (à base de carboneto de titânio) é inadequado devido à
grande afinidade físico-química entre o alumínio e o titânio. A ferramenta é sem
cobertura, porque não se necessita de grande resistência ao desgaste.
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Usinabilidade das ligas de Alumínio
A influência do processo de fundição se dá através da velocidade de resfriamento
do metal líquido. Esta velocidade é baixa na fundição em molde de areia (em
relação à fundição sob pressão). Por conseqüência, a macro-estrutura é
grosseira, com baixa dureza e resistência à tração (baixa usinabilidade).
A forma e o tamanho das porosidades do processo de fundição também afetam a
usinabilidade, podendo caracterizar um corte interrompido durante a usinagem.
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Usinabilidade dos Aços
O fator metalúrgico predominante é a dureza. Uma maior porcentagem de
carbono favorece a usinabilidade (aumento da dureza e redução da ductilidade).
O valor médio é 200 HB. Abaixo deste valor tem-se tendência à formação de APC,
acima, desgaste da ferramenta por abrasão e difusão.
Uma boa medida, para aços de baixo carbono, é promover seu encruamento via
trabalho a frio. Aumentando assim sua dureza e reduzindo a ductilidade.
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Usinabilidade dos Aços
Um segundo
fator metalúrgico é a microestrutura. Sua variação, através de
tratamento térmico, afeta a usinabilidade.
Por exemplo, quando se passa de uma liga com 10% de ferrita e 90% de perlita
para uma liga com 35% de ferrita e 65% de perlita, a vida da ferramenta cresce
substancialmente. Apesar da dureza da peça ter decrescido somente cerca de
6%.
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Usinabilidade dos Aços
Um terceiro fator fator metalúrgico é a presença de inclusões. As macro-inclusões
( com diâmetro maior que 150 µm) são em geral muitop duras e abrasivas.
Contudo, estão associadas a aços de baixa qualidade. Já as micro-inclusões,
estão presentes em todos aços, em algum nível. O efeito delas na usinabilidade
dos aços pode ser subdividido em:
Inclusões indesejáveis = partículas duras e abrasivas (ex:carbonetos,óxidos de
alumínio).
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Usinabilidade dos Aços
Inclusões “toleráveis”
= não causam muito dano à usinabilidade,conseguem
fazer parte do fluxo de cavaco (ex:óxidos de manganês e de ferro).
Inclusões desejáveis (em altas velocidades de corte) = os silicatos (Si). Em altas
temperaturas, eles perdem muito de sua dureza, formando na zona de corte uma
camada que retarda o desgaste da ferramenta.
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Usinabilidade dos Aços
O último fator metalúrgico importante é a presença de elementos de liga. Alguns
elementos (como o chumbo, o enxofre e o fósforo) têm efeito positivo na
usinabilidade. Por outro lado, os elementos formadores de carbonetos (como o
vanádio,o molibdênio, o nióbio, o tungstênio) e outros (como manganês, níquel,
cobalto e cromo) têm efeito negativo na usinabilidade.
O carbono, quando presente em teores entre 0,3 a 0,6 %, tende a melhorar a
usinabilidade.
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Aços de usinabilidade melhorada
Técnicas metalúrgicas para melhorar a usinabilidade dos aços: adição de
elementos de liga; Engenharia de inclusões.
Os principais elementos de liga adicionados para melhorar a usinabilidade são o
enxofre (S), selênio (Se),telúrio (Te), chumbo (Pb), bismuto (Bi), estanho (Sn),
fósforo (P) e nitrogênio. Isoladamente, ou formando compostos, interrompem a
matriz do aço. Facilitando a quebra do cavaco, a lubrificação da ferramenta e,
consequentemente, diminuindo os esforços de corte.
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Aços de usinabilidade melhorada
Durante a fabricação do aço, surgem inclusões que podem ter efeito benéficos ou
prejudiciais à usinabilidade dos aços. A Engenharia de inclusões trata das
técnicas de minimização dos efeitos prejudiciais. O principal tema, no âmbito dos
aços de usinabilidade melhorada, é o controle do oxigênio e da formação de
óxidos.
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Usinabilidade dos aços inoxidáveis
Aços inoxidáveis são ligas ferrosas que possuem um mínimo de 12% de cromo
com a finalidade de resistir à corrosão. Outros elementos de liga são também
utilizados (Ni,Cu,Al,Si,Mo).Dividem-se em : ferríticos,martensíticos e austeníticos.
Os ferríticos possuem principalmente o cromo como elemento de liga. Eles têm
propriedades semelhantes ao ferro puro.E boa usinabilidade, se comparados aos
outros inoxidáveis.
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Usinabilidade dos aços inoxidáveis
Os austeníticos, possuem alto teor de níquel (Ni) , o que altera suas propriedades
mecânicas : maior deformabilidade,tenacidade, resistência em altas temperaturas,
soldabilidade e resistência à corrosão. Formam cavacos longos com tendência à
formação de aresta postiça . Além disto têm : baixa condutividade térmica, alto
coeficiente de atrito e alto coeficiente de dilatação térmica. Ou seja, são os
inoxidáveis que apresentam a maior dificuldade para a usinagem.
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Usinabilidade dos aços inoxidáveis
Os martensíticos apresentam altos teores de carbono. Isto eleva a dureza e,
portanto, piora a usinabilidade. Um maior esforço de corte é requerido, devido à
presença de partículas duras e abrasivas de carboneto de cromo.
Para combater o encruamento (austeníticos), uma das técnicas é a adição de
elementos que formam inclusões frágeis. Outra alternativa é realizar um processo
de deformação a frio antes da usinagem.
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Usinabilidade dos ferros fundidos
Ferros fundidos são ligas ferro-carbono com porcentagem de carbono (C) entre 2
e 4 %. Principais propriedades: boa rigidez, resistência à compressão, relativo
baixo ponto de fusão ( viabiliza o processo de fabricação por fundição). Dividemse em: cinzento,branco,nodular,maleável (e vermicular ! ).
O FoFo branco têm baixo teor de silício, o que causa a formação de carbonetos.
Portanto o material é duro e frágil (usinabilidade ruim).
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Usinabilidade dos ferros fundidos
O ferro fundido cinzento por outro lado apresenta a melhor usinabilidade entre os
fundidos. Têm alto teor de silício, o que gera muito carbono livre (grafite) e quase
nenhuma cementita (carboneto). Forma cavacos de ruptura.
O FoFo nodular apresenta grafite em forma de nódulos. A resistência mecânica, a
tenacidade e a ductilidade aumentam consideravelmente. Devido à estas
características, a usinabilidade é boa (bem melhor que o FoFo branco).
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Usinabilidade dos ferros fundidos
O FoFo maleável surge quando o FoFo branco é tratado termicamente. A
cementita é transformada em carbonetos esféricos ou até mesmo removida. O
material resultante é maleável, dúctil e resistente. De boa usinabilidade
(intermediária entre o cinzento e o nodular ).
O FoFo vermicular é a "novidade" entre os ferros fundidos. No Brasil já uma
empresa usinando este material (www.tupy.com.br)
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