Aula 10 Usinabilidade

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Tecnologia da Usinagem
Usinabilidade
Paulo Sérgio Guedes Souza
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Usinabilidade
O que é aço?
Os aços são ligas metálicas de ferro e carbono, com percentagens deste último variáveis entre 0,008 e 2,11%.
Distinguem-se dos ferros fundidos, que também são ligas de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,06% e 6,67%.
A diferença fundamental entre ambos é que os aços, pela sua ductibilidade, são facilmente deformáveis por forja, laminação e extrusão, enquanto que peças em ferros fundidos são fabricadas pelo processo de fundição
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Usinabilidade
Além dos componentes principais indicados, os aços incorporam outros
elementos químicos como o enxofre, o fósforo, níquel, cromo, o molibdênio e outros.
No aço comum o teor de impurezas (elementos além do Ferro e do Carbono) estará sempre abaixo dos 2%. Acima dos 2 até 5% de outros elementos já pode considerado aço de baixa-liga, acima de 5% é considerado de alta-liga.
O aço é atualmente a mais importante liga metálica, sendo empregada de forma intensiva em numerosas aplicações tais como máquinas, ferramentas, em construção, etc .
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Usinabilidade
Dureza: 
Propriedade característica de um material sólido, que expressa sua resistência a deformações permanentes e está diretamente relacionada com a força de ligação dos átomos. Basicamente, a dureza pode ser avaliada a partir da capacidade de um material "riscar ou penetrar" o outro.
Ductilidade: 
Propriedade que tem o material de sofrer deformação permanente por tração, sem que ocorra a sua ruptura.
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Usinabilidade
Definição:
De um modo geral, é o grau de dificuldade de se usinar um determinado material.
As propriedades do material que podem afetar a usinabilidade de um material são:
Dureza
Taxa de encruamento
Resistência a tração
Ductilidade
Condutividade térmica
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Usinabilidade
Dureza / Resistência a tração
 Dificulta a usinabilidade
 Aumenta os esforços de corte
Ductilidade 
 Melhora a usinabilidade
 Favorece a formação dos cavacos
 Diminui os esforços de corte
 Tendências a formação de aresta postiça
Condutividade térmica 
 Melhora a usinabilidade
 Diminui o calor gerado na região de corte
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Usinabilidade
Taxa de encruamento
Aumenta os esforços de corte.
A usinabilidade depende também de:
Condições de usinagem;
Características da ferramenta;
Condições de refrigeração;
Tipo de operação (corte intermitente ....);
 Rigidez do sistema máquina-ferramenta;
Inclusões e aditivos;
Micro estrutura.
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Usinabilidade
Por exemplo:
Comparando os dois aços inox.
- Aço 303
 Aço 316
Mesma dureza
Porém o aço 303 tem maior usinabilidade que o 316 porque ele possui sulfeto de manganês que melhora a usinabilidade.
Embora a dureza e a resistência mecânica sejam fatores importantes de influência na usinabilidade de um material, outros fatores importantes também devem ser levados em consideração.
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Usinabilidade
Ensaio de usinabilidade:
O método mais aceito é um ensaio chamado de longa duração, onde o material ensaiado e o material tomado como padrão, são usinados até o fim da vida da ferramenta ou até um determinado valor de desgaste da ferramenta (VB ou KT).
VB
KT
Existem também os ensaios de curta duração. Nestes casos, normalmente as condições de usinagem são forçadas para justamente obter o resultado em pouco tempo de ensaio.
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Usinabilidade
Usinabilidade do aço carbono
Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços
Dureza
Microestrutura
Presença de Inclusões
Presença de elementos de liga
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Usinabilidade
1. Dureza
200 a 260 HB é uma boa faixa referencial em termo de dureza.
Dureza >
Aumenta os esforços de corte;
 Aumenta o desgaste via abrasão e difusão.
Dureza <
Tendências APC
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2. Microestrutura
A variação da microestrutura ocasionada pelo tratamento Térmico afeta a usinabilidade.
Cementita = Ferrita + Perlíta.
É uma fase extremamente abrasiva.
Martensita = Carboneto de ferro que se forma na têmpera do aço. (O nome provém de Adolf Martens, engenheiro alemão
[1850-1914].)
É uma fase extremamente dura.
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Usinabilidade
1. Quando o material tem uma microestrutura predominantemente martensitica que é extremamente dura, a vida da ferramenta é reduzida.
2. Quando o teor de cementita que é uma fase extremamente abrasiva, pois é cheio de carbonetos que são partículas extremamente duras, a vida da ferramenta
também é reduzida.
3. Presença de Inclusões
São partículas duras presentes no material (óxidos de ferro, Mn, Si etc.).
- Macro inclusões:
Presentes em aços de baixa qualidade. São geradas durante a fabricação no forno. São indesejáveis.
- Micro inclusões:
Presentes em todos os aços.
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Usinabilidade
4. Presença de elementos de liga
Alguns elementos de liga têm efeito positivo na usinabilidade
Chumbo, Fósforo, Enxofre.
- Alguns outros têm efeito negativo na usinabilidade (duros e abrasivos)
Vanádio, Molibdênio, Tungstênio, Manganês, Níquel, Cobalto, Cromo etc
- O carbono quando presente em teor entre 0.3 e 0.6% tende a
melhorar a usinabilidade.
Quando C< 0.3%: 
material dúctil, formação APC+dificuldade de quebra do cavaco.
Quando C> 0.6: 
material duro e abrasivo, desgaste rápido da ferramenta.
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Usinabilidade
Usinabilidade do aço inox
São ligas ferrosas que possuem um mínimo de 12% Cr para aumentar a resistência à corrosão.
Eles contém também outros elementos de liga como o Ni, Cu, Al,Si e Mo.
classes: 
 Ferrítico (cromo principal elemento)
 Austenítico (série 300) (presença da austenita a Temp. ambiente
faz que tem maior deformabilidade podendo ser conformado a frio e a quente )
 Martensítico (400) (presença da austenita a Temp > 723°C)
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Aço Martensítico
- Alto teor de carbono - Formação de partículas duras e abrasivos de carbonetos de cromo
Gera elevado esforços de corte
Usinabilidade
Aço Austenítico
- Alta taxa de encruamento
- Grande zona de platicidade
- Formação de cavacos longos que tendem a empastar sobre a superfície de saída
- Formação da APC
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Usinabilidade
- Baixa cond. Térmica(retem calor na região de corte)
- Alta coeficiente de atrito (aumenta esforços de corte)
 Alta coeficiente de dilatação térmica (dificuldade de obtenção de tolerâncias apertadas)
Usinabilidade
Aços inox normalmente têm uma usinabilidde baixa.
No entanto a usinabilidade pode ser melhorada adicionando elementos de liga como o Manganês e o Enxofre que combatem o encruamento do material durante a usinagem.
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Usinabilidade
Estudo de caso
Influência da Microestrutura na Usinabilidade dos Aços Inoxidáveis AISI 630 com e sem Adição de Cálcio
Objetivo
 Redução de custo de fabricação
- Maior taxa de remoção de material
Maior vida útil da ferramenta
Nota: Sem acarretar prejuízo nas propriedades mecânicas do material
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Usinabilidade
O cálcio é adicionado geralmente em forma de fios de Ca-Si durante o refino do aço líquido, transformando as inclusões de alumina em aluminatos de cálcio.
Enquanto as inclusões de alumina são duras e abrasivas, com ponto de fusão de 2045oC, compostos do sistema SiO2-CaO-Al2O3, apresentam ponto de fusão bem mais baixo, de até cerca de l300oC.
A formação de tais compostos gera inclusões globulares, geralmente envolvida por uma camada de sulfetos de cálcio e de manganês e conferem melhoria de usinabilidade, principalmente a altas velocidades de corte.
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Usinabilidade
Materiais e Métodos
Para a realização dos ensaios de usinabilidade foi utilizado:
Torno CNC de 5,6 kW de potência e rotação máxima
de 4000 rpm. 
Inserto de metal duro, intercambiável, ISO WNMG-06T308-TF-IC907, com cobertura PVD de TiAlN, e ângulo de saída de 13°. 
Porta ferramenta ISO PWLNR 20X20-K-08, ângulo de posição 90° e ângulo de folga 6°.
Os materiais ensaiados : Aços inoxidáveis AISI 630 convencional e modificadocom adição de cálcio (AISI 630UF), não endurecidos, ambos com dureza aproximada de 33 HRC. 
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Usinabilidade
Composição química conforme tabela abaixo (% peso):
Aço C Cr Ni Cu Ca P S
AISI 630 0.07 16 4.6 3.6 0.001 0.019 0.007
AISI 630 UF 0.07 16 4.5 3.4 0.003 0.016 0.022
Parâmetros de corte
Vc = 250 m/min, ap = 1,0 mm, avanço f = 0,25 mm.
Como critério de fim de vida foi adotado VBBmáx = 0,3 mm ou tempo de corte = 25 minutos, prevalecendo o que ocorresse primeiro.
Resultados
Os resultados serão apresentados em dois subtítulos:
a usinabilidade dos aços em relação ao desgaste da ferramenta de corte e acabamento superficial.
- a microestrutura dos materiais ensaiados.
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Usinabilidade
Até o fim de vida da aresta de corte , preestabelecida em VB=0.30 mm, o
aço modificado proporcionou um aumento de produtividade de 15 a 20%.
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Usinabilidade
O acabamento superficial do aço modificado foi cerca de 30% melhor.
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Usinabilidade
Microestrutura do aço Microestrutura do
convencional modificado
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Conclusões do Estudo
Após usinagem, não houve alteração nas propriedades mecânicas dos 2 materiais que pudesse ser atribuída a presença de Cálcio e Enxofre.
2. A melhoria da usinabilidade observada no aço modificado foi promovida pela presença de um maior número de inclusões bem próximas entre elas e que contribuiram para a propagação das microfissuras responsáveis pela quebra do cavaco.
3. A formação de cavacos descontínuos (curtos) no aço modificado, proporcionou um menor desgaste da ferramenta e contribui para a melhoria do acabamento superficial (rugosidade).
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Usinabilidade
Usinabilidade do Ferro Fundido
Ferros fundidos são ligas ferro-carbono com porcentagem de carbono entre
2,06% e 6,67%, contendo ainda outros elementos de liga como o silício, o manganês, o fósforo e o enxofre, além do níquel, cromo, molibdênio e cobre. 
Principais propriedades:
Boa rigidez
Resistência à compressão
Baixo ponto de fusão
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Usinabilidade
O Silício influencia significativamente a usinabilidade.
FoFo com 12% de Silício ou mais são praticamente impossíveis de serem usinados.
A influência dos elementos pode ser dividida em 2 tipos:
Os formadores de carboneto:
Que prejudicam a usinabilidade devido ao fato de que os carbonetos são partículas muito duras e abrasivas.
 Ex. cromo, cobalto, manganês, molibdênio e vanádio
Os grafitizantes 
Que auxiliam na usinabilidade
Ex. silício, níquel, alumínio e cobre
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Usinabilidade
O sulfeto de manganês também é utilizado nos ferros fundidos para melhorar a usinabilidade.
Em termos gerais podemos dizer que quanto maior a dureza e a resistência de um tipo de ferro fundido pior é a sua usinabilidade
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Usinabilidade
Usinabilidade do FoFo Cinzento
O FoFo Cinzento pode conter até 3% de Si.No ferro fundido cinzento com alto teor de silício apresentará muito carbono livre e quase nenhuma cementita
(O silício é um poderoso grafitizante).
É de boa usinabilidade
O FoFo cinzento forma cavacos de ruptura.
Usinabilidade do FoFo Branco
O FoFo Branco contém de 2.5 a 3.5% C apresenta baixa teor de Silício, alto teor de carbeto de ferro e pouco grafite livre.
O resultado é uma estrutura muito dura, resistente, quebradiço e sua usinabilidade é dificílima.
Quando a sua dureza é da ordem de 300 HB, a usinagem é praticamente
impossível.
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Usinabilidade
Usinabilidade do FoFo Maleável
O FoFo Maleável é um FoFo recozido. 
Esse tratamento reduz a quantidade de grafite lamelar e transforma uma quantidade considerável de carbeto de ferro em ferro dútil, mole e grafite esferoidal. O resultado é uma estrutura com uma certa ductilidade e tenacidade, porém é de boa usinabilidade.
Usinabilidade do FoFo Nodular
O FoFo Nodular também chamado as vezes de FoFo dúctil é obtido pelo adição
de pequena quantidade de magnésio ou de cério no FoFo de alto carbono em
estado líquido. 
A estrutura resultante após resfriamento da solução é apresenta o carbeto de ferro e grafite em forma esferoidal (nodular).
Apesar de ser mais resistente, ele é tão usinável quanto o FoFo Cinzento.
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Usinabilidade
Usinabilidade das ligas de Alumínio
O alumínio puro é muito fácil de se usinar mas quando ele é ligado a sua usinabilidade se torna baixa.
Propriedade positiva: alta condutividade térmica
Melhora a usinabilidade.
Propriedade negativa: Baixa dureza
Favorece a formação da APC.
Para que a liga seja um material de boa usinabilidade é necessário ter uma dureza > 80 HB e a ferramenta deve ser retificada, bem afiada sem raio na aresta e com ângulo bastante positivo.
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Usinabilidade
Geometria típica de pastilha para
torneamento de Ligas de alumínio.