AULA 6 USINABILIDADE DOS MATERIAIS

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1 AULA 6 USINABILIDADE DOS MATERIAIS

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3 39 6. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: USINABILIDADE DOS MATERIAIS 6.1. Introdução A usinabilidade é definida como uma grandeza tecnológica que expressa, por meio de um valor numérico comparativo, um conjunto de propriedades de usinagem de um material em relação a outro tomado como padrão. Em outras palavras, a usinabilidade expressa o grau de dificuldade de se usinar um determinado material. Entende-se como propriedades de usinagem aquelas que expressam seu efeito sobre as variáveis dependentes de saída do processo: características do cavaco, esforços de corte, temperatura de corte, vida da ferramenta, acabamento da superfície usinada e produtividade. Assim, pode-se ter um material com boa usinabilidade quando se leva em conta, por exemplo, a vida da ferramenta, e não possuir boa usinabilidade quando se leva em conta, por exemplo, o acabamento da superfície usinada da peça. 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 (sejam a frio ou a quente) e do eventual encruamento. Mas a usinabilidade não depende somente das propriedades do material, mas também de outras variáveis independentes de entrada como parâmetros de corte, das características da ferramenta, das condições de lubrirrefrigeração, da rigidez do sistema máquina/ferramenta/peça e das condições de trabalho realizadas pela ferramenta. Assim, um material pode ter um valor de usinabilidade baixo em certas condições de usinagem e um valor maior em outras, por exemplo. A usinabilidade de um material sempre é observada no contexto da operação de corte, do material e da geometria da ferramenta e das condições de corte. Para a descrição da usinabilidade muitas vezes são empregados os símbolos Z v e Z s, onde o índice v representa o desgaste da ferramenta e o índice s a formação de cavaco. A usinabilidade Z v baseia-se na posição e no comportamento de desgaste em relação à velocidade de corte (v c ), trabalhando com velocidades acima da velocidade critica 1. Para certa operação de corte, a usinabilidade Z v deve ser aceita como boa quando o material pode ser usinado com v c elevada e com seção de cavaco grande 2, resultando em um pequeno desgaste da ferramenta. A determinação da usinabilidade Z s baseia-se na observação da formação do cavaco. Z s é tido como bom quando a adesão do material é pequena e não se formam cavacos em forma de fita ou enrolados e a superfície é lisa e isenta de rebarbas. Z s também depende da velocidade de corte, sendo que com o aumento de v c geralmente verifica-se uma melhora na qualidade superficial. 1 Velocidade crítica é a velocidade limite acima da qual não ocorre a formação da aresta postiça de corte (APC). 2 Uma seção de corte é definida pela área da seção transversal de corte (A), onde se consideram a largura (b) e a espessura (h) do corte. Ambos podem ser geometricamente relacionados respectivamente com a profundidade de corte (a p ) e com o avanço (f) da ferramenta através do ângulo de posição ( r ). Assim, uma seção de cavaco grande envolve a p e/ou f grande, pois a seção do cavaco costuma ser maior que a seção de corte devido à sua deformação.

4 A Usinabilidade e as Classes de Material É comum se pensar no meio produtivo que a usinabilidade é uma propriedade diretamente associada à dureza do material da peça e à sua resistência mecânica. Assim, segundo esse raciocínio, um material mole tem alta usinabilidade (boa) e um material duro tem baixa usinabilidade (ruim). Porém, este raciocínio é falso. Embora a dureza e a resistência mecânica sejam fatores importantes de influência na usinabilidade do material, outros fatores também são bastante importantes, como a quantidade de inclusões e de aditivos para melhorar a usinabilidade, a quantidade de partículas duras, a microestrutura, a tendência ao empastamento do cavaco do material na superfície de saída da ferramenta, etc. Por exemplo, pode-se ter um aço inoxidável tipo 303 (possui MnS) com dureza idêntica ao tipo 316. Porém, a usinabilidade do primeiro é muito maior que a do segundo. De um modo geral, a usinabilidade avalia a habilidade do material da peça ser usinado, o desgaste que ele cria na aresta de corte e a formação de cavacos que se pode obter. Nestes aspectos, um aço carbono de baixa-liga é mais fácil de cortar, comparado aos aços inoxidáveis austeníticos mais exigentes. Os aços baixa-liga são considerados como tendo melhor usinabilidade comparados aos aços inoxidáveis. A designação boa usinabilidade, geralmente refere-se à ação de corte sem problemas e uma vida útil apropriada da ferramenta. A maioria das avaliações de usinabilidade para um determinado material é feita usando testes práticos e os resultados são determinados com relação a outro teste em outro tipo de material sob aproximadamente as mesmas condições. Nestes testes, outros fatores, como microestrutura, tendência à abrasão, máquina-ferramenta, estabilidade, ruído, vida útil da ferramenta, etc. serão levados em consideração. Como mencionado na Aula 5, os materiais da peça foram divididos em seis grupos principais, de acordo com a norma ISO e cada grupo possui suas propriedades exclusivas referentes à usinabilidade: ISO P Aço é o maior grupo de materiais na área de usinagem, variando de materiais sem liga a materiais de alta-liga, incluindo fundidos de aços e aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos. A usinabilidade é normalmente boa, porém difere muito dependendo da dureza, do teor de C etc. ISO M Aços Inoxidáveis são materiais com liga com um mínimo de 12% Cr; outras ligas podem incluir Ni e Mo. Condições diferentes, como ferrítico, martensítico, austenítico e austenítico-ferrítico (duplex), criam uma grande família. O ponto comum entre todos estes tipos é que as arestas de corte são expostas a uma grande quantidade de calor, desgaste tipo entalhe e aresta postiça. ISO K diferentemente do aço, o Ferro Fundido é um tipo de material que gera cavacos curtos. Os ferros fundidos cinzentos (GCI) e os ferros fundidos maleáveis (MCI) são consideravelmente fáceis de usinar. Já os ferros fundidos nodulares (NCI), os ferros fundidos vermiculares (CGI) e os ferros fundidos austemperado (ADI) são mais difíceis. Todos os ferros fundidos contêm SiC, um material altamente abrasivo para a aresta de corte. ISO N Metais Não Ferrosos são metais mais macios, como alumínio, cobre, latão etc. Geralmente, velocidades de corte muito altas e longa vida útil da ferramenta podem ser esperadas destas pastilhas com arestas de corte vivas. Porém, liga de alumínio com teor de 13% Si é muito abrasivo. ISO S Superligas Resistentes ao Calor incluem uma variedade de materiais à base de ferro de alta liga, Ni, Co e Ti. Eles são pastosos, criam aresta postiça, encruam durante o trabalho (endurecido por deformação) e geram calor. Eles são muito semelhantes aos ISO M, mas são muito mais difíceis de cortar e reduzem a vida útil das arestas do inserto.

5 41 ISO H Este grupo inclui Aços Endurecidos com dureza entre HRC e também ferro fundido coquilhado em torno de HB. A dureza os torna difíceis de usinar. Os materiais geram calor durante o corte e são muito abrasivos para a aresta de corte. O quadro da Figura 6.1 ilustra a formação do cavaco para as diferentes classes, realçando a temperatura na região de corte, a geometria e o tipo de cavaco gerado ISO P Aços Figura 6.1 Seção transversal de pastilha de metal duro cortando materiais Classe ISO. Aço é o maior grupo de materiais de peça na área de usinagem de metais. Eles podem ser não endurecidos ou endurecidos e temperados com uma dureza comum de até 400 HB. Aços com uma dureza de aproximadamente 48 HRC e até HRC pertencem à ISO H. Aços sem liga possuem C < 0,8% e são compostos apenas por Fe, sem outros elementos de liga. Aços-liga possuem C < 1,7 % e elementos de liga como Ni, Cr, Mo, V e W. Aços baixa-liga possuem elementos de liga inferiores a 5%. Aços alta-liga possuem mais do que 5% de elementos de liga. A usinabilidade do aço difere dependendo dos elementos de liga, do tratamento térmico e do processo de fabricação (forjado, laminado, fundido etc.). Em geral, o controle de cavacos é relativamente fácil e sem problemas. Aços com baixo teor de carbono produzem cavacos mais longos que são pastosos e requerem aresta de corte viva. A força de corte e, portanto, a potência necessária para usiná-los, permanece dentro de uma faixa limite ISO M Aços inoxidáveis Os aços inoxidáveis possuem uma liga com o Fe como o constituinte principal, alto teor de Cr (> 12%) e baixo teor de C ( 0,05%). Elementos de liga como Ni, Cr, Mo, Nb e Ti fornecem características diferentes, como resistência à corrosão e resistência mecânica em altas temperaturas. O cromo combina com oxigênio (O) para criar uma camada de Cr 2 O 3 na superfície dos aços, o que oferece uma propriedade não corrosiva ao material.

6 42 A usinabilidade dos aços inoxidáveis difere dependendo dos elementos de liga, tratamento térmico e processo de fabricação (forjado, fundido, etc.). Em geral, a usinabilidade diminui com um maior teor de liga, mas materiais de corte livre ou de usinabilidade aprimorada estão disponíveis em todos os grupos de aços inoxidáveis. Costuma gerar cavacos longos. O controle de cavacos é certo em materiais ferríticos e martensíticos, tornando-se mais complexos em tipos austeníticos e duplex (austeníticos-ferríticos). A usinagem cria altas forças de corte, aresta postiça, superfícies quentes e endurecidas por trabalho. A estrutura austenítica com teor mais alto de nitrogênio (N) aumenta a força e oferece alguma resistência contra corrosão, mas reduz a usinabilidade, enquanto o encruamento aumenta. Adições de S são usadas para melhorar a usinabilidade. Alto teor de carbono (C > 0,20%) gera desgaste de flanco relativamente grande. Mo e N diminuem a usinabilidade; no entanto, oferecem resistência a ataques de ácido e contribuem para resistência a alta temperatura. A Figura 6.2 mostra a usinabilidade relativa dos aços inox. Figura 6.2 Usinabilidade relativa dos aços inoxidáveis ISO K Ferros fundidos Ferro fundido é uma composição Fe-C com um percentual relativamente alto de Si (1-3%). O teor de carbono é acima de 2%, o qual é a solubilidade máxima de C na fase austenítica. Cr, Mo e V formam carbonetos, que aumentam a resistência e dureza, porém reduzem a usinabilidade. Há 5 tipos principais de ferros fundidos: ferros fundidos cinzentos (GCI); ferros fundidos maleáveis (MCI); ferros fundidos nodulares (NCI); ferros fundidos vermiculares (CGI); e ferros dúcteis austemperados (ADI). Os ferros fundidos geram cavacos curtos com bom controle de cavacos na maioria das condições. Usinagem com velocidades mais altas, especialmente em ferros fundidos com inclusões de areia, gera desgaste abrasivo na ferramenta de corte. NCI, CGI e ADI requerem maior atenção devido às diferentes propriedades mecânicas e à presença de grafite na matriz, comparado ao GCI normal (Fig. 6.3). Geralmente são usinados com ferramentas negativas (ângulos de cunha e ponta r grandes), que proporcionam arestas robustas e aplicações seguras. Os substratos de metal-duro devem ser duros e as coberturas devem ser do tipo Al 2 O 3 espesso para boa resistência ao desgaste por abrasão. Os ferros fundidos são geralmente usinados sem refrigeração, mas também podem ser usinados em condições com refrigeração, principalmente para manter ao mínimo a contaminação por poeira de carbono e de ferro. Também há classes disponíveis que atendem aplicações com uso de refrigeração.

7 43 Figura 6.3 Usinabilidade dos ferros fundidos ISO N Materiais não ferrosos Este contém metais macios não ferrosos com dureza abaixo de 130 HB exceto por bronzes de alta resistência (> 225 HB). Ligas de Al com menos do que 12-13% de Si representam a maior parcela. Incluise também compósitos de matriz de metal (Al % SiC), ligas à base de magnésio, cobre eletrolítico (99,95% Cu), bronze (Cu com 10-14% Sn e/ou 3-10% Al) e latão (60-85% Cu com 40-15% Zn). O alumínio gera cavacos longos e o seu controle é relativamente fácil (se tiver liga). O Al puro é pastoso e requer aresta de corte viva (ângulos de cunha e ponta r pequenos) e alta velocidade de corte (v c ). A força de corte e, portanto, a potência necessária para usiná-lo, é baixa. O material pode ser usinado com classes de metal duro sem cobertura com finos grãos quando o teor de Si é abaixo de 7-8% e as classes com ponta de PCD para alumínio com teor de Si mais alto (Si > 12% é muito abrasivo) ISO S Superligas resistentes ao calor (HRSA) e Titânio Os materiais HRSA podem ser divididos em ligas à base de Ni (ex. Inconel 718), Fe (ex. Inconel 909) e Co (ex. Stellite 21). O aumento do teor da liga (mais Co do que Ni) resulta em melhor resistência ao calor, aumento da resistência à tração e maior resistência à corrosão. As propriedades físicas e o comportamento de usinagem de cada uma variam consideravelmente, devido à natureza química da liga e o processamento metalúrgico preciso que recebe durante a fabricação. A usinabilidade piora de acordo com a sequência a seguir: materiais à base de Fe, materiais à base de Ni e materiais à base de Co. Todos os materiais possuem alta resistência a altas temperaturas e produzem cavacos segmentados durante o corte (controle difícil), o que cria altas forças de corte (amplitude e oscilação) e requer alta potência de usinagem. Baixa condutividade térmica e alta dureza geram altas temperaturas durante a usinagem. As propriedades de alta resistência, endurecimento por trabalho e endurecimento por adesão criam desgaste tipo entalhe na profundidade de corte máxima e um ambiente extremamente abrasivo para a aresta de corte. As classes de metal duro devem ter boa tenacidade da aresta e boa adesão da cobertura no substrato para oferecer boa resistência à deformação plástica. Em geral, utilizar insertos com um grande ângulo de posição r (pastilhas redondas) e selecionar uma geometria da pastilha positiva (+ e + ). Em torneamento e fresamento, ferramentas cerâmicas podem ser usadas, dependendo da aplicação. As ligas de titânio podem ser divididas em quatro classes, dependendo das estruturas e dos elementos presentes: Ti puro (não tratado), ligas (com adições de Al, O e/ou N), ligas (com adições de Mo, Fe, V, Cr e/ou Mn) e mistura de ligas α+β. As ligas misturadas α+β (ex. liga Ti-6Al-4V)

8 44 representam a maioria das ligas de titânio atualmente em uso, principalmente no setor aeroespacial, mas também em aplicações de uso geral. O titânio possui uma alta relação entre resistência e peso, com excelente resistência à corrosão a 60% da densidade do aço. Isto permite o projeto de paredes mais finas. Entretanto, a usinabilidade de ligas de titânio é insatisfatória comparada aos aços de uso geral e aços inoxidáveis, os quais impõem exigências particulares sobre as ferramentas de corte. Titânio possui baixa condutividade térmica; a resistência é retida a altas temperaturas, o que gera forças de corte altas e calor na aresta de corte. Cavacos finos e serrilhados criam uma área de contato estreita na face de saída, gerando forças de corte concentradas próximas à aresta de corte. Uma velocidade de corte muito alta produz uma reação química entre o cavaco e o material da ferramenta de corte, o que pode resultar em aumento repentino de lascamentos/quebra de pastilha. Os materiais da ferramenta de corte devem ter boa dureza a quente, baixo teor de cobalto e não reagir com o titânio. Geralmente é usado metal duro sem cobertura de finos grãos com boa tenacidade da aresta e geometria positiva ISO H - Aços endurecidos Este grupo de materiais contém aços endurecidos e temperados com durezas de 45 HRC a 68 HRC. Aços comuns incluem aço ao carbono (~60 HRC), aço para rolamento de esferas (~60 HRC) e açoferramenta (~68 HRC). Tipos duros de ferros fundidos incluem ferro fundido branco (~50 HRC) e ADI/Kymenite (~40 HRC). Aço de construção (40 45 HRC), aço Mn e tipos diferentes de coberturas duras, ex. Stellite, aço P/M e metal duro também pertencem a este grupo. Geralmente o torneamento duro (Fig. 6.4) é aplicado em peças com dureza entre 55 e 68 HRC. Figura 6.4 Exemplo de torneamento longitudinal externo em um material endurecido. O aço endurecido é o menor grupo do ponto de vista de usinagem e a operação de corte mais comum é a de acabamento. O corte geralmente produz um bom controle de cavacos. As forças de corte e potência necessária são bem altas. O material da ferramenta de corte precisa ter uma boa resistência à deformação plástica (dureza a quente), estabilidade química (a altas temperaturas), resistência mecânica e resistência ao desgaste abrasivo. O CBN possui essas características e permite o torneamento ao invés de retificação. Cerâmicas mistas (Cermets) ou reforçadas com whisker 3 são usadas em torneamento, quando a peça possui exigências moderadas de acabamento superficial e a dureza é muito alta para metal duro. O metal duro domina as aplicações de fresamento e de furação e é usado até aproximadamente 60 HRC. 3 Wisker são fibras micrométricas de SiC w usadas para aumentar a tenacidade e a resistência mecânica.