Usinagem dos Materiais

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Aula 5
Usinabilidade dos Materiais
Bruno K. S. Ueda
brunoksueda@gmail.com
Usinagem dos Materiais
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 (Diniz 2010)
Usinabilidade
Grau de dificuldade de se usinar um determinado material;
Usinabilidade, conformabilidade e soldabilidade;
Propriedades (grandezas mensuráveis):
Vida da ferramenta;
Acabamento superficial;
Esforços de corte;
Temperatura de corte;
Produtividade;
Características do cavaco.
Usinabilidade
Pode apresentar valores diferentes para propriedades diferentes;
Depende de fatores como:
Estado metalúrgico da peça;
Dureza;
Propriedades mecânicas do material;
Composição química;
Operações anteriores;
Encruamento.
Usinabilidade
Depende também:
Condições de usinagem;
Características da ferramenta;
Condições de refrigeração;
Rigidez do sistema máquina-ferramenta-peça-dispositivo de fixação;
Tipos de trabalhos executados pela ferramenta:
Operação empregada;
Corte contínuo ou intermitente;
Condições de entrada e saída da ferramenta.
Usinabilidade
Ensaios de usinabilidade
Ensaio de longa duração:
Ensaia até o fim da vida da ferramenta ou desgaste da ferramenta (Vb ou Kt);
Comparação com o padrão;
Diversas velocidades de corte;
Padrão: Aço AISI B 1112
Ensaios de curta duração:
Utiliza condições forçadas de usinagem e/ou ferramentas pouco resistentes ao desgaste;
Critérios como força ou acabamento exigem poucas passadas;
Ensaios de usinabilidade
Material mole, boa usinabilidade, e material duro, baixa usinabilidade?
Outros fatores também são fundamentais:
Quantidade de inclusões e aditivos;
Quantidade de partículas duras;
Microestrutura;
Tendência ao empastamento do material na superfície de saída;
Aço Inox 303 (sulfeto de manganês) e 316 = mesma dureza.
Propriedades do material
Dureza e resistência mecânica:
Valores baixos de dureza e resistência mecânica normalmente favorecem a usinabilidade;
Materiais muito dúcteis favorecem o aparecimento de APC (trabalho a frio para ajudar).
Propriedades dos materiais
Ductilidade:
Baixos valores de ductilidade são geralmente benéficos à usinabilidade;
Para uma usinagem ótima, busca-se uma relação intermediária entre dureza e ductilidade.
Propriedades dos materiais
Condutividade térmica:
Alta condutividade térmica favorece a retirada de calor da região de corte;
Alta condutividade favorece a usinabilidade e diminui o desgaste da ferramenta.
Propriedades dos materiais
Taxa de encruamento:
Taxa de encruamento maior aumenta a energia necessária para a usinagem e facilita a formação de APC;
Utiliza-se ferramenta de corte afiada e ângulo de saída positivo;
Encruamento anterior a usinagem pode ajudar.
Propriedades dos materiais
Pode ser facilmente usinado;
Apenas o magnésio e suas ligas necessitam a mesma taxa de energia;
Desgaste da ferramenta não é um problema (exceto ligas alumínio-silício);
Temperaturas de usinagem baixas;
Acabamento superficial insatisfatório
Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade das ligas de alumínio
Módulo de elasticidade é 1/3 do aço;
Alta condutividade térmica, que favorece a usinagem;
Ferramenta de metal duro classe K sem cobertura (difusão com o titânio);
Utiliza-se ferramentas afiadas;
Para ligas alumínio-silício utiliza-se ferramentas de diamante.
Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade das ligas de alumínio
Elementos de liga
Influência nausinabilidade
Sn,Bi ePb
Atuamcomo lubrificantes e comofragilizadoresdo cavaco
Fe,Mn, Cr eNi
Combinam entre siou com o alumínio e/ou com o silício, para formarem partículas duras
Mg
Em teoresbaixos (cerca de 0,3%) aumenta a dureza do cavaco e diminui o coeficiente de atrito entre cavaco e ferramenta
Si
Aumentaa abrasividade da peça – a vida da ferramenta diminui
Cu
Forma o intermetálico CuAl2que fragiliza o cavaco
Zn
Não exerceinfluência nausinabilidade
Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade das ligas de alumínio
Dureza é o fator predominante;
200HB é um valor médio;
Encruamento aumenta a dureza de aços de baixo carbono;
Cementita é abrasiva, aumenta o desgaste da ferramenta;
Martensita é muito dura e resistente
Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos aços
Macroinclusões (>150µm):
Indesejáveis: duras e abrasivas como carbonetos e óxido de alumínio;
Que não causam muito dano: óxidos de manganês e de ferro, que conseguem fazer parte do fluxo do cavaco;
Desejáveis em velocidades de corte altas: silicatos, perdem muito a dureza em altas temperaturas
Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos aços
Elementos de liga:
Efeito positivo: chumbo, enxofre e fósforo;
Efeito negativo (formadores de carbonetos): vanádio, molibdênio, nióbio e o tungstênio, além de outros como manganês, níquel, cobalto e o cromo.
Carbono entre 0,3 e 0,6% tende a melhorar a usinabilidade;
Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos aços
Adição de elementos de liga:
Enxofre: formador de sulfeto de manganês (MnS), diminui a ductilidade e resistência ao cisalhamento das microssoldas;
Selênio/telúrio: efeitos similares ao sulfeto;
Chumbo/bismuto:formadores de partículas submicroscópicas de baixo ponto de fusão;
Outros elementos (N, P ou Sn): dissolvem-se na matriz fragilizando o cavaco.
Aços de usinabilidade melhorada
Melhorar o controle das inclusões;
Obter inclusões vítreas de espessura suficientemente pequena;
Lubrifica a ferramenta;
Engenharia de inclusões
Austeníticos:
Formam cavacos longos;
Alta taxa de encruamento, favorece APC;
Baixa condutividade térmica;
Alto coeficiente de atrito;
Alto coeficiente de dilatação térmica
Aços inoxidáveis
Martensíticos:
Alto teor de carbono;
Alta dureza;
Presença de partículas duras e abrasivas de carboneto de cromo;
Aços inoxidáveis
Cinzento > Maleável > Nodular > Branco;
Cinzento:
Alto teor de silício, maior presença de carbono livre;
Maleável:
Branco tratado termicamente para cementita virar carbonetos esféricos;
Nodular:
Presença de grafite na forma de nódulos;
Branco:
Baixo teor de silício, grande formação de carbonetos (cementita).
Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos ferros fundidos
Elementos formadores de carbonetos:
Cromo;
Cobalto;
Manganês;
Molibdênio;
Vanádio;
Elementos grafitizantes:
Silício;
Níquel;
Alumínio;
Cobre.
Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos ferros fundidos
Propriedades:
Elevadas temperaturas de fusão;
Alta dureza a quente;
Excelentes propriedades mecânicas;
Alta resistência à corrosão;
Ótima razão peso-resistência;
Biocompatibilidade.
Ligas de Titânio
Propriedades que dificultam a usinagem:
Baixíssima condutividade térmica (1/7 do aço);
Elevada afinidade química com todos os materiais para ferramentas comuns;
Baixíssimo módulo de elasticidade (1/2 do aço);
Gera:
Variações na espessura de corte;
Flutuações na força de usinagem;
Altos níveis de vibração
Ligas de titânio
Elevada resistência mecânica;
Boa resistência à fadiga e à fluência;
Boa resistência à corrosão;
Capacidade de operar continuamente em elevadas temperaturas;
Estrutura CFC
Superligas de níquel
Alta resistência mecânica em alta temperatura:
Altas temperaturas na região de corte;
Vida curta da ferramenta ;
Baixas taxas de remoção de cavaco;
Alta ductilidade:
Área de contato cavaco-ferramenta alta;
Favorece o aparecimento de APC em baixa Vc;
Aumenta o desgaste por aderência em alta Vc;
Superligas de níquel
Muito difíceis de usinar;
Temperaturas em torno de 1000°C;
Velocidades relativamente baixas (60m/min);
Destruição da aresta de corte.
Superligas de níquel