RESUMO SOBRE USINABILIDADE

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO 
 CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
 DISCIPLINA: TECNOLOGIA MECÂNICA
 DOCENTE: WENDELL ALBANO
RESUMO SOBRE USINABILIDADE
MIKAELLY PAIVA SOARES DE SOUZA
CARAÚBAS
2024
SUMÁRIO
1.	USINABILIDADE DOS MATERIAIS	3
1.1.	Ensaios de Usinabilidade	3
1.2.	A usinabilidade e as propriedades do material	3
1.3.	Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade das ligas de alumínio	5
1.4.	Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos aços	7
1.4.1.	Aços de usinabilidade melhorada (ou de usinagem fácil)	9
1.4.1.1.	Adição de elementos de liga	9
1.4.1.2.	Engenharia de inclusões	9
1.4.2.	Aços inoxidáveis	10
1.5.	Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos ferros fundidos	11
REFERENCIA	13
1. USINABILIDADE DOS MATERIAIS
Usinabilidade é a capacidade de um material ser trabalhado por processos de corte, como torneamento ou fresamento. Essa característica varia de acordo com diversas propriedades do material, como composição química, dureza e microestrutura, além das condições de usinagem, como tipo de ferramenta, velocidade de corte e refrigeração. Em outras palavras, a usinabilidade indica a facilidade ou dificuldade com que um material pode ser usinado, e depende tanto de suas propriedades intrínsecas quanto das condições do processo.
1.1. Ensaios de Usinabilidade
O método mais comum para avaliar a usinabilidade de um material é o ensaio de longa duração. Nesse teste, o material em questão e um material padrão são usinados nas mesmas condições, até que a ferramenta de corte se desgaste ou atinja um limite pré-definido. A partir da velocidade de corte necessária para obter uma vida útil específica da ferramenta (por exemplo, 20 ou 60 minutos), calcula-se o índice de usinabilidade. Esse índice representa a relação entre a velocidade de corte do material em teste e a do material padrão, que recebe o valor de 100%.
I.U = 
Sendo, o material padrão mais utilizado quando se trata de ensaios de aços é o aço AISI B1112. Este ensaio de longa duração leva em conta a propriedade de usinagem (critério de usinabilidade) vida da ferramenta.
1.2. A usinabilidade e as propriedades do material
Frequentemente, se acredita que a usinabilidade de um material seja determinada exclusivamente por sua dureza e resistência mecânica, com materiais mais moles sendo mais usináveis. Essa visão, porém, é incompleta. Embora a dureza e a resistência sejam fatores relevantes, a usinabilidade é um fenômeno complexo influenciado por diversos outros aspectos. A quantidade e tipo de inclusões, a presença de aditivos específicos para melhorar a usinabilidade, a microestrutura do material e sua tendência a formar cavacos que aderem à ferramenta, são exemplos de fatores que podem afetar significativamente a facilidade com que um material pode ser usinado.
A seguir será descrito como algumas propriedades dos materiais podem influenciá-la.
· Dureza e resistência mecânica 
Valores baixos de dureza e resistência mecânica normalmente favorecem a usinabilidade. Quando, porém, se tem materiais muito dúcteis (materiais que se deformam muito plasticamente antes de se romperem), a baixa dureza pode causar problemas, porque facilita a formação de aresta postiça de corte.
· Ductilidade Baixos 
Valores de ductilidade são geralmente benéficos à usinabilidade. A formação de cavacos curtos é facilitada e obtém-se menor perda de energia com o atrito cavaco-superfície de saída da ferramenta.
· Condutividade térmica 
Uma alta condutividade térmica do material da peça significa que o calor gerado pelo processo é rapidamente retirado da região de corte e, assim, a ferramenta não é excessivamente aquecida e, portanto, não se desgasta tão rapidamente. Então, uma alta condutividade térmica favorece a usinabilidade do material.
Os materiais mais comumente usinados, como os alumínios, possuem alta condutividade térmica. Essa característica, embora seja vantajosa em muitas aplicações, exige cuidados especiais durante o processo de usinagem. A alta condutividade térmica faz com que o calor gerado durante o corte seja rapidamente dissipado pela peça. Consequentemente, é fundamental utilizar sistemas de refrigeração eficientes para evitar a ocorrência de dilatações térmicas excessivas, que podem comprometer a precisão dimensional das peças e danificar a sua superfície. Os aços sem liga, ligados e inoxidáveis, embora apresentem condutividade térmica menor que o alumínio, também requerem atenção quanto à refrigeração, especialmente em operações de usinagem de alta velocidade.
· Taxa de encruamento
Metais deformados plasticamente aumentam sua resistência. A esse fenômeno dá-se o nome de encruamento. O nível de encruamento depende da taxa de deformação e habilidade do material em encruar.
Aços inoxidáveis austeníticos e diversas ligas resistentes às altas temperaturas são materiais que possuem alta taxa de encruamento, enquanto que os aços carbonos apresentam taxas muito baixas. Se possui uma alta taxa de encruamento, o material requer muita energia para a formação do cavaco (valor alto da pressão específica de corte – baixa usinabilidade).
Em materiais que sofrem encruamento, um pré-deformação a frio pode ser benéfica, pois reduz a ductilidade, diminuindo a formação de arestas postiças durante a usinagem. No fresamento, o encruamento causado por uma aresta de corte dificulta a passagem da próxima, aumentando o desgaste da ferramenta e os esforços de corte. A furação em materiais com alta taxa de encruamento também é mais desafiadora.
1.3. Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade das ligas de alumínio
O alumínio destaca-se por sua excelente usinabilidade, exigindo pouca energia para a remoção do material devido à sua baixa resistência mecânica. Apenas o magnésio e suas ligas se comparam em termos de usinabilidade. O desgaste da ferramenta é raramente um problema, exceto em ligas de alumínio-silício, onde as partículas de silício aceleram o desgaste. As baixas temperaturas de usinagem permitem altas velocidades de corte.
A usinabilidade do alumínio e suas ligas é um tema complexo, influenciado por uma série de fatores. A presença de elementos de liga, impurezas, os processos de fundição e os tratamentos térmicos aplicados ao material podem alterar significativamente suas características de usinagem. As propriedades intrínsecas do alumínio puro, como seu baixo módulo de elasticidade, exercem um papel fundamental na usinabilidade de suas ligas. O módulo de elasticidade, que mede a rigidez de um material, é cerca de três vezes menor no alumínio em comparação ao aço. Essa característica faz com que o alumínio se deforme mais facilmente sob a ação das forças de corte, influenciando diretamente os parâmetros de usinagem, como a velocidade de corte e o avanço da ferramenta.
As ligas de alumínio exigem forças de corte bem menores que os aços. Sua alta condutividade térmica favorece a usinabilidade, mas exige dureza superior a 80 HB para evitar a formação de arestas postiças e garantir boa qualidade superficial. O alto coeficiente de dilatação térmica pode dificultar a obtenção de tolerâncias precisas.
O material de ferramenta típico para usinagem de ligas de alumínio (com exceção das ligas de alumínio-silício) é o metal duro classe K sem cobertura.
A Tabela 1 mostra alguns elementos utilizados na formação de ligas de alumínio e suas respectivas influências na usinabilidade.
As ligas de alumínio-silício eutéticas e hipereutéticas apresentam um desafio significativo para a usinagem devido à presença de partículas de silício que aceleram o desgaste das ferramentas convencionais. Nesse contexto, as ferramentas de diamante policristalino se destacam como a solução mais adequada. Sua excepcional dureza e resistência ao desgaste permitem realizar a usinagem dessas ligas em altas velocidades de corte, sem comprometer a vida útil da ferramenta. Além disso, as ferramentas de diamante contribuem para a obtenção de uma melhor qualidade superficiale dimensional das peças usinadas.
A usinabilidade de peças fundidas é significativamente influenciada pela velocidade de resfriamento do metal líquido durante a solidificação, que afeta a microestrutura e as propriedades mecânicas do material. Além disso, a porosidade, característica comum em peças fundidas, pode acelerar o desgaste da ferramenta devido à natureza intermitente do corte.
1.4. Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos aços
A dureza desempenha um papel fundamental na usinabilidade dos aços. Um aumento no teor de carbono eleva a dureza, reduzindo a ductilidade e, consequentemente, melhorando a usinabilidade. Acima de 200 Brinell (HB), a tendência à formação de rebarbas durante a usinagem é significativamente reduzida. Para aços de baixo carbono, que geralmente apresentam dureza inferior a 200 HB, o encruamento por trabalho a frio é uma técnica eficiente para aumentar a dureza e melhorar a usinabilidade. O trabalho a frio induz deformações plásticas no material, dificultando a formação de rebarbas e proporcionando uma melhor qualidade superficial na peça usinada.
Figura 2: Efeito do encruamento (por trefilação a frio) na vida da ferramenta
Um segundo fator metalúrgico é a microestrutura. A figura 3 mostra alguns exemplos de como a variação da microestrutura, via mudança de fase ocasionada por tratamento térmico, afeta a usinabilidade. Pode-se ver na figura 3A que a estrutura martensítica é muito dura e resistente e gera uma vida muito baixa da ferramenta de metal duro. Já a figura 3B mostra que, 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 de a dureza da peça ter decrescido somente cerca de 6%.
Figura 3: Efeito da microestrutura na usinabilidade do aço 4140 (Chiaverini, 1981)
A presença de macroinclusões (acima de 150 µm) nos aços é outro fator que prejudica a usinabilidade. Essas inclusões, geralmente duras e abrasivas, causam desgaste prematuro da ferramenta e estão associadas a aços de baixa qualidade. A presença de microinclusões nos aços influencia a usinabilidade de forma variável. Inclusões duras e abrasivas, como carbonetos e óxido de alumínio, prejudicam o processo, enquanto óxidos de manganês e ferro são menos problemáticos. Silicatos, por sua vez, podem ser benéficos em altas velocidades de corte devido à formação de uma camada protetora na zona de corte.
1.4.1. Aços de usinabilidade melhorada (ou de usinagem fácil)
A indústria metalúrgica tem investido em diversas técnicas para modificar a composição e a microestrutura dos aços, visando melhorar sua usinabilidade e reduzir os custos de produção.
1.4.1.1. Adição de elementos de liga
A usinabilidade dos aços pode ser significativamente melhorada pela adição de elementos de liga específicos. Enxofre, selênio, telúrio, chumbo, bismuto, estanho, fósforo e nitrogênio, isoladamente ou em combinação, atuam como interruptores da matriz metálica (ferrítica, austenítica ou martensítica), facilitando a formação e a quebra do cavaco durante o processo de usinagem. Essa interrupção da matriz metálica resulta em menores esforços de corte e menor desgaste da ferramenta, proporcionando uma usinagem mais eficiente e com melhor acabamento superficial.
1.4.1.2. Engenharia de inclusões
Durante a produção do aço, a formação de inclusões é inevitável. Essas inclusões podem tanto beneficiar quanto prejudicar a usinabilidade do material. A engenharia de inclusões tem como objetivo principal desenvolver técnicas para minimizar os efeitos negativos dessas inclusões. No contexto dos aços de usinabilidade melhorada, o controle preciso do teor de oxigênio e a formação de óxidos específicos são cruciais para garantir um bom desempenho durante a usinagem.
Aços com teor de silício e alumínio adequados podem formar inclusões vítreas de silicato que melhoram a usinabilidade. Essas inclusões, com espessuras reduzidas, atuam como lubrificantes na interface ferramenta-peça, permitindo altas velocidades de corte. O tratamento com cálcio em aços desoxidados com alumínio também é eficaz, convertendo aluminas em aluminatos cálcicos de baixo ponto de fusão, otimizando a usinabilidade.
1.4.2. Aços inoxidáveis
Aços inoxidáveis são ligas ferrosas com pelo menos 12% de cromo, conferindo alta resistência à corrosão. Outros elementos como níquel, cobre, alumínio, silício e molibdênio podem ser adicionados para aumentar ainda mais essa resistência. Dependendo da microestrutura, os aços inoxidáveis são classificados em ferríticos, martensíticos (série 400) e austeníticos (série 300), sendo os últimos caracterizados por alto teor de níquel (até 8%).
A presença de austenita em temperatura ambiente confere aos aços inoxidáveis austeníticos propriedades únicas, como alta deformabilidade, tenacidade, resistência a altas temperaturas, soldabilidade e excelente resistência à corrosão, diferenciando-os de outros tipos de aço inoxidável.
A usinabilidade dos aços inoxidáveis varia de acordo com sua microestrutura. Aços austeníticos, devido à alta ductilidade e formação de cavacos longos, apresentam a maior dificuldade de usinagem, exigindo ferramentas e parâmetros de corte específicos. A presença de partículas duras e a alta taxa de encruamento agravam ainda mais o processo. Já os aços martensíticos, com alta dureza devido ao alto teor de carbono, também demandam maior esforço de corte.
A Figura 4 ilustra as zonas de desgaste típicas em ferramentas de metal duro ao usinar aços inoxidáveis austeníticos. Na região A, o desgaste por cratera é acentuado devido às altas temperaturas. Na região B, a deformação plástica da ferramenta é predominante por conta das altas forças de corte. Na área C, a formação de aresta postiça é comum devido às baixas velocidades de corte e à tendência ao empaste do cavaco. Nas regiões D e E, podem ocorrer, respectivamente, deformação plástica e desgaste por cratera, em menor intensidade.
Figura 4: Indicações gerais sobre condições de usinagem para o torneamento de aços inoxidáveis austeníticos
Para usinar aço austenítico, é fundamental utilizar ferramentas com ângulos positivos, visando minimizar tanto o atrito quanto o encruamento do cavaco.
1.5. Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos ferros fundidos
Ferros fundidos são ligas à base de ferro e carbono (2-4%), com adição de elementos como silício, manganês, fósforo, enxofre e, em alguns casos, níquel, cromo, molibdênio e cobre. São caracterizados por alta rigidez, boa resistência à compressão e baixo ponto de fusão, o que os torna ideais para processos de fundição. 
A quantidade de silício no ferro fundido influencia diretamente sua microestrutura e propriedades. Ferros fundidos cinzentos, com alto teor de silício (1-3%), apresentam predominância de grafita livre, conferindo-lhes boa maquinabilidade e resistência à abrasão. Já os ferros fundidos brancos, com baixo teor de silício, possuem alta concentração de cementita, resultando em um material duro e frágil.
Nos ferros fundidos nodulares, a grafita em forma de nódulos confere alta resistência, tenacidade e ductilidade. O ferro fundido maleável é obtido a partir do branco por tratamento térmico, transformando a cementita em carbonetos esféricos ou removendo-a. A Figura 5 compara a usinabilidade desses tipos com os demais.
Figura 5: Usinabilidade dos diversos tipos de ferros fundidos
A usinabilidade dos ferros fundidos é fortemente influenciada por sua microestrutura. O ferro fundido branco, com alta concentração de cementita, é extremamente difícil de usinar. Em contrapartida, o ferro fundido cinzento, com sua matriz de ferrita e grafita em escamas, apresenta excelente usinabilidade. A formação de cavacos longos nos ferros fundidos maleáveis e nodulares também contribui para uma usinabilidade superior. O silício, ao promover a formação de grafita, desempenha um papel fundamental na melhoria da usinabilidade dos ferros fundidos.
Existe uma relação inversa entre a usinabilidade e a dureza dos ferrosfundidos: quanto mais duro o material, mais difícil de usinar. O ferro fundido vermicular, com sua microestrutura caracterizada por grafita em forma de vermiculos, oferece um bom equilíbrio entre resistência mecânica e usinabilidade. Embora seja mais resistente que o ferro fundido cinzento, sua usinabilidade é superior à do ferro fundido branco.
REFERENCIA
DINIZ, Anselmo Eduardo; MARCONDES, Francisco Carlos; COPPINI, Nivaldo Lemos. Tecnologia da usinagem dos materiais. 9ª edição — São Paulo: Artliber Editora, 2014.
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