Aula 9- Usinabilidade dos Materiais

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1 -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.

2 -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.

3 -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,...)

4 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,v C20 ( veloc.corte para uma vida de 20 minutos).

5 Ensaios de Usinabilidade - O índice de usinabilidade I.U. será a relação entre a V C20 do material ensaiado e a V C20 do material padrão. I.U. = V C20 ( do material ensaiado ) V C20 ( material padrão) O material padrão mais utilizado (ensaio de aços) é o aço AISI B1112. O I.U. do material padrão é considerado 100%.

6 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.

7 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.

8 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.

9 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.

10 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)

11 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.

12 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.

13 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.

14 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.

15 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 %.

16 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).

17 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.

18 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.

19 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.

20 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.

21 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.

22 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.

23 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.

24 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).

25 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).

26 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 (