Trabalho Processos de Fabricação II - Conceito de Usinabilidade

Prévia do material em texto

UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
SUMÁRIO:
1. INTRODUÇÃO
Conceito de Usinabilidade
2. PROPRIEDADES DE USINAGEM
3. USINABILIDADE
4. ENSAIOS DE USINABILIDADE
5. EQUAÇÃO DE TAYLOR
6. EQUAÇÃO DE TAYLOR ESTENDIDA
7. EXEMPLOS DE ENSAIOS QUE NÃO REQUREM USINAGEM
• Teste de composição química – R
• Teste de microestrutura – R
• Teste de propriedades físicas – R
8. EXEMPLOS DE ENSAIOS QUE REQUREM USINAGEM
• Teste de pressão (Ff) constante – R
• Teste de faceamento rápido – R
• Teste de torneamento cônico – A
• Teste da taxa de desgaste – A
9. MODELOS DE ENSAIOS DE USINABILIDADE
10. CONCLUSÃO
11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
1. INTRODUÇÃO
CONCEITO DE USINABILIDADE
A usinabilidade pode ser considerada uma propriedade do material, mas a medida da usinabilidade depende de 
parâmetros considerados. Em outras palavras, a ordem no ranking de usinabilidade de um número de matériais pode 
não ser a mesma, quando obtido em condições diferentes. Desta forma, a usinabilidade é muito mais o resultado de 
um ensaio e/ou teste, do que uma propriedade do material. 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 determinado material em relação a outro tomado como padrão”.
(DINIZ, Anselmo Eduardo; et al. Tecnologia da usinagem dos materiais. 5. ed. São Paulo: Artliber Editora, 2006.)
Em termos gerais, a usinabilidade expressa o grau de “facilidade ou dificuldade” para usinar determinado material.
Fig. 01 - Usinagem de Material Macio Fig. 02 - Usinagem de Material temperado
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
• Força e potência de usinagem;
• Temperatura de corte;
• Vida útil da ferramenta;
• Acabamento/integridade superficial da peça usinada;
• Formação de cavaco e rebarbas;
• Propriedades físicas ou mecânicas do material, (composição 
química; Estrutura cristalina; Estabilidade química; etc...).
A usinabilidade interessa não somente aos fabricantes dos metais, como também aos consumidores, fabricantes de 
ferramentas e todos envolvidos na produção de peças por meio da formação de cavaco.
Tem uma grande influência na produtividade de uma empresa, razão pela qual existe um enorme interesse em 
estabelecer métodos de ensaios não muito longos e com relativa precisão, que permitem determinar a usinabilidade 
de um material.
2. PROPRIEDADES DE USINAGEM
Entende se por propriedades de usinagem, as variáveis que expressam o seu efeito sobre grandezas mensuráveis 
inerentes ao processo de usinagem, (parâmetros de usinabilidade) como:
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
• Não ser uma grandeza física do material, e sim uma resultante 
da interação maquina, ferramenta e material.
• Possui um numero muito grande de combinações de variáveis 
de usinagem, que podem ser comparadas como: velocidade de 
corte, avanço e geometria da ferramenta, material da peça, 
material da ferramenta, composição química, etc. Com 
resultados muitas vezes não muito precisos e difíceis de serem 
analisados e interpretados.
• Um material pode apresentar usinabilidade melhor que outro 
segundo um determinado critério e pior em relação a outro 
critério.
E importante salientar que a usinabilidade não e somente utilizada para quantificar a facilidade ou dificuldade de se 
usinar materiais. Ela também pode ser usada para quantificar a performance das ferramentas de corte, dos fluidos 
de corte, da geometria das ferramentas, entre outras, porém as mesmas dificuldades se aplicam para todos estes 
casos. 
3. USINABILIDADE
A usinabilidade não possui uma unidade de medida bem definida devido a:
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
3. USINABILIDADE
A maioria dos resultado de testes de usinabilidade publicados em literaturas, foram resultados de testes realizados 
por torneamento e apesar de algumas características serem comuns, é aconselhável não fazer explorações para 
diferentes processos.
Por meio dos ensaios de usinabilidade e possível criar catálogos com informações práticas, que ajudam no 
planejamento das atividades de usinagem, reduzindo custos e otimizando recursos.
O mais completo banco de dados de usinagem já publicado está no “Machining Data Handbook” – Machinabily Data 
Center do IAMS (Institue of Advanced Manufacturing Sciences Inc). 
Fig. 03 – Dados de Usinabilidade Fresa de topo e Inserto convencional para fresa de facear 
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
4. ENSAIOS DE USINABILIDADE
Os testes de usinabilidade podem ser classificados da seguinte maneira:
• Dois grupos:
a) Requer usinagem
b) Não requer usinagem
Os ensaios que não requerem usinagem, a usinabilidade é obtida com base 
na composição química, propriedades físicas ou na microestrutura do 
material da peça usinada. Quanto à natureza dos resultados obtidos, os 
ensaios de usinabilidade são classificados em:
Fig. 04 – Movimentos de corte
• Dois subgrupos
a) Ranking testes – “R”: São testes classificatórios, indicam meramente por comparação a usinabilidade relativa 
entre duas ou mais combinações de ferramentas e peças, para uma dada condição de corte. 
b) Testes absolutos – “A”: São aqueles que indicam os méritos relativos de duas ou mais combinações de 
ferramentas e peças, para uma dada faixa de condições de corte.
OBS: A letra “R” indica que e um teste ranqueador, e a letra “A” indica que o teste é absoluto.
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
4. CLASSIFICAÇÃO DOS ENSAIOS DE USINABILIDADE
Fig. 05 – Classificação dos ensaios de usinabilidade – Fonte Mills e Redford, 1983.
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
4. ENSAIO DE USINABILIDADE – Ranking Teste
Os ranking testes podem ser bastante úteis, mas possuem duas desvantagem:
• Podem indicar que o material “A” usina melhor que o “B” que usina melhor que o “C”. Mas na maioria dos 
casos, não há indicação da magnitude da diferença entre os materiais, devido a medida da usinabilidade, não 
estar relacionada a grandezas mesuráveis e previsíveis. Ex. vida útil da ferramenta para determinada 
condição de corte, etc.
• Os testes tem por objetivo, comparar usinabilidade de materiais para uma determinada condição de corte, 
não oferecendo garantia caso ocorra alterações nas condições, que o ranking de usinabilidade permaneça o 
mesmo. 
Fig. 06 – Imagem Térmica da cunha de corte das ferramentas
A Figura ao lado, demonstra através de imagens 
termográficas, alterações na temperatura da aresta 
de corte de alguns modelos de ferramentas de 
usinagem, em função dos perfis e ângulos de saída 
do cavaco. 
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
4. ENSAIO DE USINABILIDADE – Testes Absolutos
Os testes absolutos são geralmente validos para várias velocidades de corte (equação de Taylor simples), certamente 
sobre uma faixa prática de variação, podendo também levar em consideração mudanças nas condições de corte e 
geometria da ferramenta (equação de Taylor estendida - 1903, Livro Shop management).
Equação de Taylor:
Fig. 07 – Deterioração relacionada ao desgaste
modelo de Taylor
Taylor observou que:
1º O aumento da profundidade de corte possui efeito mínimo na vida 
da ferramenta.
2º O aumento do avanço de corte possui um pouco mais de efeito na 
vida da ferramenta, em relação ao aumento na profundidade de corte.
3º O aumento da velocidade de corte, velocidades mais altas, 
influenciam grandemente na vida da ferramenta.
O gráfico demonstra o desgaste da ferramenta resultante do aumento 
da velocidade de corte (azul Vc), avanço (cinza f) e profundidade de 
corte (preto ap).
Estas observações levaram Taylor a desenvolver um modelo 
matemático para o desgaste da ferramenta, focado no efeito das 
diversas velocidades de corte.
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
5. EQUAÇÃO DE TAYLOR SIMPLES
A equação para o modelo básico de Taylor é Vc * Tn = CT, com “CT” representando a velocidade de corte que 
resultaria em uma vida daferramenta de um minuto.
Taylor observou que o desgaste da ferramenta e acelerado no inicio de uma operação de usinagem, estabilizando e 
aumentando lentamente em uma segunda fase, entrando em uma terceira e fase final, de rápido desgaste até o fim 
da vida da ferramenta. O modelo de Taylor não é aplicado em velocidades de corte baixas, nas quais o material pode 
aderir e acumular na aresta de corte, afetando a qualidade do corte e danificando a ferramenta. 
Vc = Velocidade de corte
T = Tempo desgaste do ângulo de flanco
n = Constante dependendo condição de 
corte
CT = Constante (quando T = 1.0 min, V = C)
(Profundidade de corte e avanço 
constantes)
Fig. 08 – Equação de Taylor simples
Fig. 09 – Desgaste abrasivo
I = Desgaste acelerado no começo da operação
II = Desgaste estabiliza amentando lentamente
III = Desgaste rápido fim da vida da ferramenta
Log T (tool life)
Log V 
Vc . T = C n T
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
6. EQUAÇÃO DE TAYLOR ESTENDIDA
A equação estendida do modelo de vida da ferramenta, inclui uma variável que leva em consideração o ângulo de 
saída da ferramenta e as constantes para diversos tipos de materiais de usinagem, sendo mais precisa quando 
alterado uma condição de corte por vez, alterar diversas condições simultaneamente pode produzir resultados 
inconsistentes.
T = Vida da ferramenta em minutos
Vc = Velocidade de corte
h = Espessura do cavaco
b = Largura do cavaco
VB = Desgaste
m, n, o, p, q = - cotg α
Fig. 10 – Equação de Taylor estendida
Fig. 11 – Curvas de desgaste ao longo da vida da ferramenta em função da velocidade de corte
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
6. EQUAÇÃO DE TAYLOR ESTENDIDA
O modelo de equação estendida de Taylor contempla:
O ângulo da aresta de corte ortogonal em relação a peça (perpendicular ao avanço) ou oblíquo (ângulo de saída 
relativo à direção de avanço).
Aresta de corte "livre" se o canto não estiver envolvidos no corte e "não livres" quando o canto da ferramenta estiver 
aplicado na peça.
A equação estendida acrescentou uma variável para o ângulo de saída da aresta de corte, mas nenhuma concessão 
foi feita para a aplicação do canto da ferramenta.
Fig. 11 – Processo de corte de metal – Princípio básico
Ortogonal livre Obliquo livre Obliquo não livre Lateral obliquo não livre 
Fig. 12 – Corte ortogonal
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
7. EXEMPLOS DE ENSAIOS QUE NÃO REQUREM USINAGEM
• Teste de composição química – “R”
Este teste indica que conhecendo a composição química do material pode-se relacionar uma medida de 
usinabilidade.
Czaplicki, L. encontrou a seguinte relação para determinada velocidade de corte, uma vida de 60 minutos no 
torneamento com ferramenta de metal duro.
Vc60 = 161,5 – 141,4 x %C – 42.4 x %Si – 39,2 x %Mn – 179,4 x %P + 121,4 x %S
O autor reivindica uma precisão de +/- 8%, porém a faixa de materiais e tratamento térmico são bastante restritos.
Boulger et Alli encontrou a relação para expressar a usinabilidade de aços de livre-corte.
Índice Usinabilidade = 146 – 400 x %C – 1500 x %Si + 200 x %S
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
7. EXEMPLOS DE ENSAIOS QUE NÃO REQUREM USINAGEM
• Teste de microestrutura – “R”
Mostra a relação entre a microestrutura de aços carbono e parâmetros 
de medida de usinabilidade. Nota-se que um aço com 50% de perlita 
consegue agregar boa usinabilidade com razoável dureza.
A tabela mostra a relação entre a microestrutura de aços carbono e 
parâmetro de medida de usinabilidade
(Trabalho de desenvolvido por Zlatin e Filds – citado por Mills e Redford)
Fig. 13 – Microestrutura do aço carbono/parâmetro de usinabilidade Fig. 14 – Microestrutura ligas ferro carbono
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
7. EXEMPLOS DE ENSAIOS QUE NÃO REQUREM USINAGEM
• Teste de propriedades fisícas – “R”
Utiliza técnicas de análise dimensional e relações entre a medida da usinabilidade de materiais metálicos e suas 
propriedades já desenvolvidas.
(Desenvolvido por Henkin e Datsko – citado por Mills e Redford)
Relação similar foi apresentada por Janistky, e citada por Mills e Redford
Onde:
B = Condutividade térmica do material
L = Comprimento característico
HB = Dureza Brinel do material
Ar = Redução de área obtida em ensaio de tração convencional
Onde:
D = Constante que depende das dimensões do corte
Fig. 15 – Equação de Henkin e Datsko
Fig. 16 – Equação de Janistky
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
8. EXEMPLOS DE ENSAIOS QUE REQUREM USINAGEM
• Teste de pressão (Ff) constante – R (Proposto por Boulger et Alli e citado por Mills e Redford)
Consiste na aplicação de uma força constante de avanço e na medição do intervalo de tempo para a ferramenta 
realizar um determinado deslocamento, sendo o intervalo de tempo ou o percurso descrito pela ferramenta em um 
intervalo de tempo pré-fixado, tomados como parâmetros de usinabilidade. O ensaio pode ser aplicado nos 
processos de torneamento e furação, onde pesos são fixados ao manípulos de avanço da ferramenta por meio de um 
cabo, garantindo que a pressão aplicada pela ferramenta sobre a peça seja constante.
Fig. 17 – Furadeira de coluna Fig. 18 – Desenho esquemático do teste de pressão
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
8. EXEMPLOS DE ENSAIOS QUE REQUREM USINAGEM
• Teste de faceamento rápido – “R” (Proposto por Kraus e Weddell e Lorenz, e citado por Mills e Redford)
Consiste em facear um disco do centro para a periferia, normalmente com ferramenta de aço rápido. Com este 
procedimento a velocidade de corte vai aumentando constantemente até atingir o ponto critico onde ocorre o 
colapso da ferramenta. O colapso é observado por simples análise na superfície usinada e a medida de usinabilidade 
pode ser dada pelo tempo para a falha da ferramenta, ou o percurso de avanço.
Fig. 19 – Teste de faceamento rápido
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
8. EXEMPLOS DE ENSAIOS QUE REQUREM USINAGEM
• Teste de torneamento cônico – “A” (Proposto por Heiginbotham e Pandey, e citado por Mills e Redford)
É classificado como teste como teste absoluto, porém de curta duração. Neste teste utiliza se uma peça de perfil 
cônico para ser torneada, iniciando do 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 preestabelecido. Conhecendo a velocidade de corte inicial, sua taxa de crescimento ao longo do tempo e o 
desgaste do flanco da ferramenta, determina se as constantes da equação de Taylor.
Fig. 20 – Teste de torneamento cônico
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
8. EXEMPLOS DE ENSAIOS QUE REQUREM USINAGEM
• Teste da taxa de desgaste – “A” (Proposto por Taylor)
E considerado o melhor teste absoluto de longa duração com ferramenta de tornear monocortante e especificado 
pela norma ISSO 3685 de 1977. O objetivo desta norma é assegurar que os testes sejam realizados em condições 
padrões para se ter dados compatíveis de fontes diferentes.
Os resultados são geralmente apresentados usando a equação de Taylor.
Fig. 21 – Desgaste das ferramentas / Tipos de operações de Usinagem
9. MODELOS DE TESTES DE USINABILIDADE
Os ensaios baixo demonstram que, no torneamento de um aço SAE 4140, a máxima vida da ferramenta corresponde 
ao estado recozido ou normalizado desse aço e o desgaste da ferramenta aumenta com o aumento da dureza, de 
modo que o máximo desgaste se verifica com a dureza mais elevada do aço.
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
Fig. 22 – Efeito da Microestrutura sobre a usinabilidade aço SAE 4140 
Temperado e revenido \ Normalizado
Fig. 23 – Efeito da Microestrutura sobre a usinabilidade aço SAE 4140 
Normalizado \ Recozido
10. CONCLUSÃO
Pelo trabalho apresentado e possível verificar que a determinação do índice de usinabilidade de um determinado 
material esta ligado as características metalúrgicas do material, tipo de processo, variáveis da ferramenta e 
parâmetros preestabelecidospara o ensaio.
Podemos afirmar que um material possui maior facilidade de era usinado quando comprado a outro com base na sua 
composição química, porém não e possível assumir uma margem de erro segura para tal afirmação, uma vez que, 
fatores metalúrgicos como estrutura cristalina e tratamento térmico afetam diretamente o índice de usinabilidade.
Diante da necessidade de utilizar o índice de usinabilidade de um material buscando aumentar a produtividade e 
diminuir os custos de usinagem, a melhor forma de garantir os resultados são através dos ensaios absolutos.
Uma forma de garantir que o tempo de realização dos ensaios não comprometam a produtividade e fazer um bom 
planejamento estratégico, realizando os ensaios nos materiais entes do inicio das atividades de usinagem em grande 
escala.
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II
11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
UNIPAC - Lafaiete Processo de Fabricação II