C A P Í T U L O 1 5 ENSAIOS DE USINABILIDADE

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1 C A P Í T U L O 1 5 ENSAIOS DE USINABILIDADE INTRODUÇÃO A usinabilidade pode ser considerada uma propriedade do material, mas a medida da usinabilidade depende dos parâmetros considerados. Em outras palavras, a ordem no ranking de usinabilidade de um número de materiais pode não ser o mesmo, quando obtidos em condições diferentes. Por isto, Trent [1] sugere que a usinabilidade não é uma propriedade, mas o modo do material se comportar durante a usinagem. Desta forma, usinabilidade é muito mais uma função do teste e não uma função de uma ou mais propriedades do material. Em termos gerais, usinabilidade pode ser definida como sendo uma grandeza que indica a facilidade ou dificuldade de se usinar um material. Forças de corte, energia requerida na usinagem, vida da ferramenta, acabamento superficial, taxa de desgaste, temperatura de corte, controle do cavaco (disposição do cavaco), e mesmo algumas propriedades físicas, etc... são variáveis que podem ser consideradas como medida de usinabilidade. Porém, o processo ainda é um pouco mais complexo. Por exemplo: se a vida da ferramenta, baseada em uma certa quantidade de desgaste, é selecionada como o critério de usinabilidade, ainda é necessário especificar como isto é medido (forma de desgaste, parâmetro que é medido), o tipo de ferramenta de corte utilizada, as condições de corte, etc. Tudo isto deve ser selecionado arbitrariamente. Por isto que usinabilidade é uma função do teste, e qualquer número de usinabilidade deve acompanhar uma descrição completa do teste. Sem esta informação adicional, este número não tem significado. Deve-se salientar que a usinabilidade não é usada apenas para quantificar a facilidade ou dificuldade de se usinar materiais. Ela pode ser usada também para quantificar a performance de ferramentas de corte, de fluidos de corte e geometrias de ferramentas. As mesmas dificuldades citadas acima são encontradas nestes casos também. A maioria dos resultados de teste de usinabilidade publicada na literatura foram resultados de testes de torneamento, e apesar de algumas características poderem ser comuns a mais de um processo, é aconselhável não fazer extrapolações para diferentes processos. Uma grande contribuição de ensaios de usinabilidade é a possibilidade de geração de banco de dados de usinagem, que é uma tarefa árdua mas de grande contribuição prática. A maior dificuldade de geração de banco de dados está na existência de quantidades muito grande de materiais de processamento em geral e de materiais de ferramentas. Além disso, para se ter um banco de dados confiável, deve-se utilizar critérios e procedimentos padronizados para que os dados gerados sejam transferíveis e que possa realmente ser utilizados em princípio, sem restrição. Infelizmente, em usinagem não se pode confiar integralmente nas informações contidas em bancos de dados, mas eles são extremamente úteis no ponto de partida 201

2 para uma determinada aplicação. Assim, por meio de ensaios de usinabilidade podese catalogar resultados e gerar informações práticas preciosas do ponto de vista de chão de fábrica. Informações deste tipo são encontradas nos catálogos dos principais fabricantes de ferramentas de corte do mercado mundial. Entretanto, talvez o mais completo banco de dados de usinagem já publicado está no "Machining Data Handbook" [2] do Machinability Data Center do IAMS (Institue of Advanced Manufacturing Sciences, Inc) TIPOS DE TESTES DE USINABILIDADE Segundo Mills e Redford [3] os testes de usinabilidade podem ser classificados da seguinte maneira: Dois Grupos: Requer usinagem Não requer usinagem Dois Sub-Grupos: Ranking testes - R Testes absolutos - A Os Ranking Testes, ou testes classificatórios, são aqueles que meramente indicam a usinabilidade relativa de duas ou mais combinações de pares ferramentapeça, para uma dada condição de corte. Os Testes Absolutos são aqueles que indicam os méritos relativos de duas ou mais combinações de pares ferramenta-peça para uma dada faixa de condições de corte. No primeiro sub-grupo, os resultados podem ser bastante úteis, mas os testes em si têm duas desvantagens principais. Primeiramente, um teste particular pode indicar que material A usina melhor que o material B, que por sua vez usina melhor que o material "C", entretanto, na maioria dos casos, não há indicação da magnitude da diferença entre eles, porque a medida da usinabilidade não foi relacionada com escalas previsíveis, tal como a vida da ferramenta para uma determinada condição de corte. Em segundo lugar, mesmo se o teste tem o objetivo de comparar usinabilidade de materiais da peça para uma determinada condição de corte, não existe garantia que quando as condições de corte se alterarem, o ranking permanecerá o mesmo. Os testes absolutos são geralmente válidos para várias velocidades de corte (Equação de Taylor simples), certamente sobre uma faixa prática de variação, podendo, em outros casos, também levar em consideração mudanças nas outras condições de corte e geometria da ferramenta (neste caso a Equação de Taylor expandida). Os testes que não requerem usinagem são sempre Ranking Testes. Os que requerem usinagem podem ser Ranking ou Absolutos. De acordo com o tempo eles podem ser classificados em: 202

3 Curta duração Longa duração Os ranking testes são sempre de curta duração. Os testes absolutos são quase sempre de longa duração. Exemplos de testes que não requerem usinagem: A letra R indica que o teste é um ranqueador, e a letra A indica que o teste é absoluto. Teste de composição química R Este tipo de teste, indica que ao se conhecer a composição química do material, pode-se relaciona-la a uma medida de usinabilidade. Czaplicki [4], citado por Mills e Redford [3], encontrou a seguinte relação para a velocidade de corte para uma vida de 60 min no torneamento de aços, com ferramentas de metal duro: V c60 = x %C 42.4 x %Si 39.2 x %Mn x %P x %S (15.1) O autor reivindica uma precisão de 8%, entretanto, a faixa de materiais e seus tratamentos térmicos são bastantes restritos. Boulger et alli [5], também citado por Mills e Redford [3] encontrou a relação 15.2 para expressar a usinabilidade de aços de livre-corte. Índice de usinabilidade = x %C 1500 x %Si x %S (15.2) Teste de microestrutura R Outra maneira de classificar a usinabilidade dos materiais é por meio da sua microestrutura. A Tabela 15.1 mostra a relação entre a microestrutura de aços carbono e parâmetros de medida de usinabilidade. Este trabalho foi desenvolvido por Zlatin e Fields [6], citado por Mills e Redford [3]. Nota-se que um aço com 50% de perlita consegue agregar boa usinabilidade com razoável dureza. Teste de propriedades físicas - R Algumas relações entre a medida da usinabilidade de materiais metálicos e suas propriedades já foram desenvolvidas. Henkin e Datsko [7], citado por Mills e Redford [3], usou técnicas de análise dimensional e obteve a seguinte relação: B AR V C 60 1 (15.3) L HB 100 onde, B = Condutividade térmica do material L = um comprimento característico 203

4 HB = Dureza Brinell do material A r = redução de área obtida em ensaio de tração convencional. Relação similar foi apresentada por Janistky [8], citado por Mills e Redford [3]. D HB V C 60 (15.4) r A onde, D = Constante que depende das dimensões do corte. Tabela Efeito da microestrutura na usinabilidade dos aços [6] Tipo de microestrutura Dureza Brinell V c20 [m/min] 10% - perlita e 90% ferrita % - perlita e 80% ferrita % de perlita esferoidizada % - perlita e 50% ferrita * 75% - perlita e 25% ferrita % perlita Martensita revenida Martensita revenida * Valor estimado Exemplo de testes que requerem usinagem: Teste de pressão (Ff) constante R Este teste foi proposto por Boulger et alli [9], citado por Mills e Redford [3] e pode ser usado tanto na furação como no torneamento. Pela maior simplicidade, o processo de furação é o mais utilizado. É um teste de curta duração e consiste em aplicar uma força de avanço, F f constante e medir o tempo para se furar uma chapa de espessura fixa, ou fixar um determinado tempo e medir o percurso de avanço. A força de avanço constante pode ser facilmente conseguida em uma furadeira de coluna ou de bancada, por meio de uma roldana com um cabo de aço e um prato com pesos adaptado no eixo de avanço da máquina. Teste de faceamento rápido - R Este teste foi proposto por Kraus e Weddell [10] e Lorenz [11], citados por Mills e Redford [3], e é outro teste prático e de curta duração, que consiste em facear um disco do centro para a periferia, normalmente com ferramenta de aço- 204

5 rápido. Com este procedimento, a velocidade de corte vai se aumentando constantemente, até atingir o ponto crítico onde promove o colapso da ferramenta. Este colapso é nitidamente observado por uma simples análise na superfície usinada. A medida de usinabilidade pode ser o tempo para a falha da ferramenta, ou o percurso de avanço até atingir a falha. Teste de torneamento cônico A Este teste foi proposto por Heiginbotham e Pandey [12], citado por Mills e Redford [3] e é classificado como absoluto, porém considerado de curta duração. Neste tipo de teste utiliza-se uma peça de perfil cônico para ser usada em torneamento, iniciando no diâmetro menor para o maior do cone. Este procedimento permite um aumento progressivo da velocidade de corte, acelerando assim o final da vida da ferramenta, de acordo com um critério pre-estabelecido. Conhecendo-se as velocidade de corte inicial e sua taxa de crescimento ao longo do tempo, o desgaste de flanco da ferramenta e com a execução de dois testes, pode-se levantar as constantes da equação de Taylor. Resultados obtidos por este método se apresentam em concordância muito grande com testes de usinabilidade de longa duração descrito abaixo. Teste da taxa de desgaste - A (Taylor) O melhor exemplo de teste absoluto de longa duração é o teste de vida da ferramenta, com ferramenta de tornear monocortante, especificado pela norma ISO 3685 de 1977 [13]. O objetivo desta norma é assegurar que testes sejam realizados em condições padrões para se ter dados compatíveis de fontes diferentes. Os resultados, são geralmente apresentados usando a equação de Taylor. Maiores detalhes desses testes de usinabilidade podem ser encontrados em [3 e 4]. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. TRENT, E.M. Metal Cutting, 2nd Edition, Butterworths, 1984, 245 pags, ISBN IAMS, "Machining Data Handbook", 3 rd Edition, Machinability Data Center, IAMS - Isntitute of Advanced Manufacturing Sciences, Inc., Cincinnati, Ohio, USA, MILLS, B.; REDFORD, A.H. Machinability of Engineering Materials, Applied Science Publishers, London, 1983, 174 pags, ISBN CZAPLICKI, L. L usinabilite et al Coupe des Metaux, Res. Soc. Roy. Belge Ingeniere, 12, 1962, pp BOULGER, F.W.; MOORHEAD, H. and GAVEY, T.M., Superior Machinability of MX Steel Explained, Iron Age, 167, 1951, pp ZLATIN, N. FIELD, M., Evaluation of Rolled Steels, Forging and Cating Irons, In; Machining Theory and Practice, ªS.M., Cleveland, Ohio, USA, HENKIN, A. and DATSKO, J., The Influence of Phisical Properties on Machinability, Trans. A.S.M.E., Journal of Engineering for Industry, Novenber 1963, pp

6 8. JANITZKI,.E.J., Machinability of Plain Carbon Alloy and Austenitic Steels and its Relation to Yield Stress Ratios when Tensile Strengths are Similar, Trans. A.S.M.E., 66, 1944, pp BOULGER, F.W.; SHAW M.C and JOHNSON, H.E., Constant Pressure Lathe test for Measuring Machinability of Free Machining Steels, Trans. A.S.M.E., 71, 1949, pp KRAUS, C.E. and WEDDEL, R.R., Determining the Tool Life Cutting Speed Relatioship by Facing Cuts, A.S.M.E., Fall Meeting, Erie, Pennsylvania, USA, Oct. 4 6, LORENZ, G., Determination of Comprehensive Machinability Equations by Means of Rapid Facing Tests, S.M.E., MR, 1970, pp HEGINBOTHAM, W.B. and PANDEY, P.C., Taper Turning Tests Produce Reliable Tool Life equation, Proc. 7 th M.T.D.R. Conf., 1966, p ISO Tool Life Testing with Single-Point Turning Tools, ISO 2685,

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