Upload
gustavo-simao-rodrigues
View
24
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Características da Usinabilidade dos metais
Citation preview
Prof. Gustavo Simão
Unidade 6
Usinabilidade
Prof. Gustavo Simão
Unidade 6-Usinabilidade
• Conceitos
Prof. Gustavo Simão
Conceitos
Prof. Gustavo Simão5
Usinabilidade pode ser definida como uma grandeza tecnológica que
expressa, por meio de um valor numérico comparativo, um conjunto de
propriedades de usinagem, de um material em relação a outro tomado
como padrão.
Em outras palavras, pode-se entender usinabilidade como o grau de
dificuldade de se usinar um determinado material.
Índice de Usinabilidade
Prof. Gustavo Simão6
Propriedades de usinagem de um material
(aquelas que expressam seu efeito sobre grandezas mensuráveis inerentes ao processo de usinagem):
• Vida da ferramenta;• Acabamento superficial da peça;• Esforços de corte;• Temperatura de corte;• Produtividade;• Características do cavaco.
Prof. Gustavo Simão7
Cuidado com o termo usinabilidade
Pode-se ter um material que tenha uma boa usinabilidade quando se
leva em conta uma propriedade de usinagem, como por exemplo a vida
da ferramenta e não possuir boa usinabilidade quando se leva em conta
outra propriedade, como por exemplo a rugosidade da peça usinada.
Prof. Gustavo Simão8
A Usinabilidade depende:
• Estado metalúrgico da peça;
• Dureza;
• Propriedades mecânicas do material;
• Composição química;
• Operações anteriores efetuadas sobre o material (sejam a frio ou a
quente) e de eventual encruamento.
Prof. Gustavo Simão9
A usinabilidade não depende somente das condições intrínsecas do material, mas também:
• Condições de usinagem;
• Características da ferramenta;
• Condições de refrigeração;
• Rigidez do sistema máquina-dispositivo de fixação-peça-ferramenta;
• Tipos de trabalhos executados pela ferramenta (operação
empregada, corte contínuo ou intermitente, condições de entrada e
saída da ferramenta).
Prof. Gustavo Simão10
Assim, por exemplo:
Um material pode ter um valor de usinabilidade baixo em certas
condições de usinagem e um valor maior em outras condições de
usinagem
Prof. Gustavo Simão11
6.1 Ensaios de Usinabilidade:
Ensaio 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), em diversas
velocidades de cortes diferentes.
Este ensaio permite a obtenção da velocidade de corte para uma vida
determinada da ferramenta (20 minutos – vc20 ou 60 minutos – vc60)
Prof. Gustavo Simão12
O índice de usinabilidade (I.U.) é então dado pela relação entre a vc20 (ou vc60) do material ensaiado e aquela correspondente ao material tomado como padrão, ao qual se dá o índice 100%
I.U. = vc20 (mat. Ensaiado) .100
vc20 (padrão)
O material padrão mais utilizado quando se trata de ensaios de aços é o aço AISI B-1112.
Prof. Gustavo Simão13
Tendo como referência o aço B-1112, os metais são dispostos em 6
classes distintas:
Metais Ferrosos
Classe 1 – 70% ou mais altos
Classe 2 – 50 a 70%
Classe 3 – 40 a 50%
Classe 4 – 40% ou mais baixos
Metais não-ferrosos
Classe 5 – 100% ou mais altos
Classe 6 – abaixo de 100%
Prof. Gustavo Simão14
Prof. Gustavo Simão15
Outros ensaios, chamados de curta duração:
Usando além do critério de vida da ferramenta, outros critérios tais
como a força de usinagem, o acabamento superficial, etc, são chamados
de curta duração, porque são utilizadas condições forçadas de usinagem
e/ou materiais de ferramentas pouco resistentes ao desgaste, a fim de
que a vida da ferramenta termine rapidamente e o ensaio possa ser
realizado em curto espaço de tempo.
Prof. Gustavo Simão16
Vantagens dos ensaios de curta duração:
Quando o critério é a força de usinagem ou a rugosidade da peça, o
ensaio é de curta duração, pois com somente algumas passadas da
ferramenta na peça, pode-se obter os valores desejados, não se
necessitando que o desgaste cresça até o fim da vida da ferramenta.
Prof. Gustavo Simão17
6.2 A Usinabilidade e as Propriedades do Material
É comum se pensar que a usinabilidade é uma propriedade ligada à
dureza do material da peça e à sua resistência mecânica.
Assim, segundo esse raciocínio, um material mole é de boa
usinabilidade e um material duro de baixa usinabilidade.
PORÉM, ESSE RACIOCÍNIO É FALSO.
Embora a dureza e a resistência mecânica sejam fatores importantes de
influência na usinabilidade do material, outros fatores também são
bastante importantes.
Prof. Gustavo Simão18
• quantidade de inclusões e de aditivos para melhorar a usinabilidade;
• quantidade de partículas duras;
• micro-estrutura;
• tendência ao empastamento do cavaco do material na superfície de
saída da ferramenta.
Por exemplo, pode-se ter um aço inoxidável tipo AISI 303 (que possui
sulfetos de manganês para melhorar sua usinabilidade) com dureza
idêntica ao tipo AISI 316. Porém, a usinabilidade do primeiro é muito
maior do o segundo.
Outros fatores também importantes na influência na
usinabilidade:
Prof. Gustavo Simão19
Como as propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade?
Dureza e Resistência Mecânica:
Valores baixos de dureza e resistência mecânica normalmente
favorecem a usinabilidade.
Quando porém se tem materiais muito dúcteis, a baixa dureza pode
causar problemas, pois facilita a formação de aresta postiça de corte.
Nestes casos, é bom que a dureza seja aumentada através de trabalho a
frio.
Prof. Gustavo Simão20
Como as propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade?
Ductilidade
Baixos valores de ductilidade são geralmente benéficos à usinabilidade.
A formação de cavacos curtos é facilitada e se tem menor perda de
energia com o atrito cavaco-superfície de saída da ferramenta.
Porém, em geral, consegue-se baixa ductilidade com alta dureza e vice-
versa.
Prof. Gustavo Simão21
Como as propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade?
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.
Prof. Gustavo Simão22
Como as propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade?
Condutividade Térmica
Porém, esta propriedade não pode ser facilmente alterada dentro de
um determinado grupo de materiais, isto é, todos os aços sem liga tem
condutividade térmica similares, o mesmo acontecendo entre os aços
ligados, aços inoxidáveis, alumínios, ferros fundidos, etc.
Dentre os tipos de materiais mais usinados, os que tem maior
condutividade térmica são os alumínios, seguidos pelos aços sem liga,
vindo depois os aços ligados e os aços inoxidáveis.
Prof. Gustavo Simão23
Taxa de Encruamento
Os Aços inoxidáveis austeníticos são materiais que possuem alta taxa de
encruamento e com isso requerem muita energia para a formação do
cavaco (valor alto da pressão específica de corte – baixa usinabilidade).
Com isso, o corte acarretará um aumento de dureza numa fina camada
da superfície usinada.
Também devido à alta taxa de encruamento, a formação da aresta
postiça de corte fica facilitada.
Os aços carbonos são materiais que possuem baixas taxas de
encruamento (alta usinabilidade).
Prof. Gustavo Simão24
Como usinar com eficiência materiais com alta taxa de encruamento?
Usar ferramenta com aresta de corte afiada e ângulo de saída bem
positivo, a fim de que a deformação causada no cavaco seja pequena.
Nestes materiais, um encruamento anterior à usinagem, através de
trabalho a frio, pode ser vantajoso, pois diminui a ductilidade do
material e, com isso, reduz a possibilidade de formação de aresta
postiça de corte.
Prof. Gustavo Simão25
6.3 Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade das Ligas de Alumínio• O alumínio em geral pode ser facilmente usinado.• A energia consumida por unidade de volume do metal é muito baixa.• Apenas o magnésio e sua ligas podem ser usinadas com a mesma
taxa de energia consumida e o desgaste da ferramenta raramente é um problema.
EXCEÇÃO FEITA
• As ligas de alumínio-silício, onde as partículas de silício presentes são altamente abrasivas e desgastam rapidamente a ferramenta de metal duro.
Prof. Gustavo Simão26
As temperaturas de usinagem são geralmente baixas e altas velocidades de corte podem ser usadas.
• Porém, com relação aos critérios de usinabilidade baseados na rugosidade da peça e na característica do cavaco, não se pode dizer que o alumínio tenha uma boa usinabilidade, pois o cavaco formado é longo e o acabamento superficial insatisfatório.
SOLUÇÃO
• Bons acabamentos superficiais podem ser obtidos se a velocidade de corte for suficientemente alta e a geometria da ferramenta for adequada.
Prof. Gustavo Simão27
Usinagem do alumínio
• A usinagem do alumínio pode ser afetada pelos elementos de liga, impurezas, processos de fundição e tratamentos aplicados ao metal.
• As propriedades mecânicas e térmicas do alumínio são fatores decisivos na usinagem de sua ligas.
Propriedade física Alumínio Aço
Módulo de elasticidade (MPa) 70.000 210.000
O alumínio apresenta um módulo de elasticidade de 1/3 do módulo de
elasticidade do aço.
Isto significa que, sob a mesma força de corte, o alumínio se deforma três
vezes mais que o aço.
Prof. Gustavo Simão28
Baixo módulo de elasticidade
• Este fato tem consequências negativas na obtenção de boas
superfícies usinadas e pode gerar deformações indesejadas da peça.
• Devido a isto também, não se deve utilizar esforços exagerados na
fixação da peça.
Prof. Gustavo Simão29
Embora algumas ligas de alumínio apresentem um limite de resistência
equivalente ao aço de baixo carbono em temperatura ambiente, em
temperaturas elevadas essa resistência é bastante reduzida.
Este fato favorece a usinagem destas ligas, já que a elevação da
temperatura é inerente ao processo de usinagem e, as ligas de alumínio,
por possuírem alta condutividade térmica, atraem para a peça boa parte
do calor gerado.
Assim, as forças de corte necessárias para a usinagem das ligas de
alumínio são bem baixas, quando comparadas com as forças relativas
aos aços.
Prof. Gustavo Simão30
A alta condutividade térmica do alumínio favorece a usinabilidade mas é
necessário que a dureza da liga seja maior que 80 HB para reduzir a
tendência à formação da aresta postiça de corte.
O coeficiente de dilatação térmica do alumínio, por ser maior que o aço
e do latão, pode gerar dificuldades de obtenção de tolerâncias
apertadas.
Prof. Gustavo Simão31
Para se evitar a aparição da aresta postiça de corte e garantir um
cisalhamento perfeito do cavaco, as ferramentas para corte de alumínio
possuem aresta afiada (sem raio na aresta) com ângulos bastante
positivo. A figura abaixo mostra a geometria típica de uma pastilha de
torneamento para usinagem de ligas de alumínio
Ferramenta com aresta afiada e ângulos positivos
Prof. Gustavo Simão32
Ferramentas de metal duro utilizadas na usinagem do alumínio
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 classe K é recomendada pois as temperaturas de corte são baixas e,
por isso, a formação do desgaste de cratera via processo difuso não é
um problema.
Por outro lado, metais duros a base de carboneto de titânio (classe P)
são inadequados para a usinagem de alumínio, devido à grande
afinidade físico-química entre o alumínio e o titânio.
Prof. Gustavo Simão33
• A ferramenta é sem cobertura pois não se necessita grande
resistência ao desgaste e, por outro lado, requer-se uma aresta
bastante afiada, o que não é fácil de ser obtido com espessas
camadas de cobertura sobre a ferramenta.
• Além disso, como já foi observado, coberturas com titânio não
poderiam ser utilizadas.
Prof. Gustavo Simão34
A tabela abaixo mostra alguns elementos utilizados na formação de ligas de alumínio e sua respectivas influências na usinabilidade da liga.
Elementos de Liga Influência na Usinabilidade
Sn, Be e Pb Atuam como lubrificantes e como fragilizadores do cavaco.
Fe, Mn, Cr e Ni Combinam entre si ou com o alumínio e/ou para formarem partículas duras, que favorecem a quebra do cavaco e que, em grande quantidade, tem efeito abrasivo sobre a ferramenta.
Mg Em teores pequenos (cerca de 0,3%) aumenta a dureza do cavaco e diminui o coeficiente de atrito entre cavaco e ferramenta.
Si Aumenta a abrasividade da peça – a vida da ferramenta diminui com o aumento do tamanho da fase primária do silício.
Cu Forma o composto intermetálico Cu/Al, que fragiliza o cavaco
Zn Não exerce influência na usinabilidade.
Elementos de Liga e suas Influências na Usinabilidade do Alumínio
Prof. Gustavo Simão35
6.4 – Fatores Metalúrgicos que afetam a Usinabilidade dos Aços• Primeiro fator metalúrgico – a dureza.
• Aços de baixo carbono com baixa dureza e alta ductilidade tem
tendência à formação da aresta postiça de corte, com consequente
redução da vida da ferramenta e deterioração do acabamento
superficial.• Uma maior percentagem de carbono melhora a usinabilidade devido
ao aumento da dureza e diminuição da ductilidade.
• Em termos da influência da dureza do aço na usinabilidade, pode-se
dizer que 200 HB é o valor médio. A medida que se diminui a dureza
abaixo esse valor, a tendência à formação da aresta postiça de corte
aumenta.
Prof. Gustavo Simão36
Cont. – Fatores Metalúrgicos que afetam a Usinabilidade dos Aços
• Quando se aumenta a dureza acima deste valor, o desgaste da
ferramenta via abrasão e difusão passa a ser um fator que afeta
negativamente a usinabilidade do material.
• Uma boa medida para promover o aumento da dureza e diminuição
da ductilidade de aços de baixo carbono (dureza menor que 200 HB)
é promover seu encruamento via trabalho a frio.
Prof. Gustavo Simão37
A figura abaixo mostra a comparação em termos de vida da ferramenta para um aço ABNT 1016 (baixo carbono) em diversas operações de usinagem. A vida da ferramenta aumentou em todos os casos após a trefilação a frio das barras deste aço, operação que causou o acréscimo de dureza das peças de cerca de 125 HB para 180 HB.
Prof. Gustavo Simão38
Um segundo fator metalúrgico que afeta a usinabilidade dos aços é a microestruturaA próxima figura mostra como a variação da microestrutura, via mudança de fase ocasionada por tratamento térmico, afeta a usinabilidade. Pode-se ver baixo que a estrutura martensítica é muito dura e resistente e gera uma vida muito baixa da ferramenta de metal duro.
Prof. Gustavo Simão39
Já a figura abaixo 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 da dureza da peça ter decrescido somente de 6%
Isto acontece devido ao fato de que, quando se diminui o teor de perlita, diminui-se também o teor de cementita.
Prof. Gustavo Simão40
Terceiro fator metalúrgico: a presença de inclusões
Macro-inclusões (diâmetro > 150 μm). Em geral, são muito duras e
abrasivas – associadas a aços de baixa qualidade, geradas durante a
fabricação do aço no forno – muitas vezes responsáveis pela quebra
súbita da ferramenta de usinagem
Prof. Gustavo Simão41
Terceiro fator metalúrgico: a presença de inclusões
As micro-inclusões estão sempre presentes nos aços. O efeito delas na usinabilidade dos aços pode ser dividido em:
• Inclusões indesejáveis – são partículas duras e abrasivas como carbonetos e óxidos de alumínio.
• Inclusões que não causam muito dano à usinabilidade – são os óxidos
de manganês e de ferro. A deformabilidade deles é maior que a do
grupo anterior e elas conseguem fazer parte do fluxo do cavaco.
• Inclusões desejáveis em velocidades de corte altas – são os silicatos
(Si). A razão para isso é que os silicatos em altas temperaturas perdem
muito a sua dureza e, portanto, formam uma camada vantajosa na zona
de corte, que retarda o desgaste da ferramenta.
Prof. Gustavo Simão42
Último fator metalúrgico : a presença de elementos de liga
• Alguns elementos de liga tem efeito positivo na usinabilidade, como
o chumbo, o enxofre e o fósforo, que geralmente estão presentes em
aços de usinabilidade melhorada.
• Por outro lado, elementos formadores de carbonetos, como o
vanádio, o molibdênio, o nióbio e o tungstênio, tem efeito negativo
na usinabilidade.
Prof. Gustavo Simão43
Efeito do carbono
• O carbono em teores de 0,3 a 0,6% tende a melhorar a usinabilidade.
• Com teores menores que estes, o material fica muito dúctil e com
dureza muito baixa, causando à formação da aresta postiça de corte e
a dificuldade da quebra do cavaco.
• Com teores maiores que 0,6% de carbono, o material se torna muito
duro e abrasivo, desgastando muito rapidamente a ferramenta.
Prof. Gustavo Simão44
6.4.1-Aços de Usinabilidade Melhorada (ou de Usinagem Fácil)
Diversas técnicas metalúrgicas têm sido utilizadas para melhorar a
usinabilidade:
• Adição de elementos de liga: Enxofre, Selênio, Telúrio, Chumbo
Bismuto, Nitrogênio, Fósforo, Estanho.
Cuidado: as propriedades podem ser afetadas. Por exemplo, a presença
de Enxofre diminui bastante sua ductilidade. O Chumbo limita a
utilização do aço em baixas temperaturas, devido ao seu baixo ponto de
fusão, além disso sua utilização é proibida em vários países.
Prof. Gustavo Simão45
6.4.1-Aços de Usinabilidade Melhorada (ou de Usinagem Fácil)
Diversas técnicas metalúrgicas têm sido utilizadas para melhorar a
usinabilidade:
• Engenharia de Inclusões: Trata das técnicas de minimização dos
efeitos prejudiciais destas inclusões através do controle do
Oxigênio/Óxidos.
Prof. Gustavo Simão46
Aços Inoxidáveis são ligas ferrosas que possuem um mínimo de 12% de cromo com finalidade de resistir a corrosão.Os aços inoxidáveis são divididos em 3 classes, de acordo com sua estrutura:• Austeníticos (série 300);• Ferríticos (série 400); e• Martensíticos (série 500);.
6.4.2 – Aços Inoxidáveis
Prof. Gustavo Simão47
Características de usinagem que variam para cada tipo de aço
• Os aços inoxidáveis austeníticos formam cavacos longos que tem
tendência a empastar sobre a superfície de saída da ferramenta (tem
alta taxa de encruamento e grande zona plástica), podendo resultar
na formação da aresta postiça de corte.
• Os aço inoxidáveis martensíticos com altos teores de carbono são
difíceis de usinar devido à alta dureza, que exige um maior esforço de
corte devido à presença de partículas duras e abrasivas de carboneto
de cromo.
Prof. Gustavo Simão48
Pode-se considerar os aços austeníticos como aqueles que apresentam
a maior dificuldade para serem usinados, devido aos fatores citados
acima.
Outras características que dificultam a usinagem destes aços são:
• Baixa condutividade térmica, que dificulta a extração do calor da
região de corte, facilitando o desgaste da ferramenta;
• Alto coeficiente de atrito, que tem como consequência o aumento do
esforço e do calor gerado;
• Alto coeficiente de dilatação térmica, o que torna difícil a
manutenção de tolerâncias apertadas.
Prof. Gustavo Simão49
Procedimentos para combater o encruamento do material no processo de usinagem:
• Adicionar elementos de liga que formam inclusões frágeis, reduzindo
a ductilidade e promovendo a quebra do cavaco. O sulfeto de
manganês (MnS) é frequentemente utilizada para melhorar a
usinabilidade destes aços.
• O aço ABNT 303, por exemplo, é um aço com usinabilidade
melhorada por conter alto teor de sulfeto de manganês.
• Um outro procedimento é empregar o aço austenítico levemente
encruado por trefilação ou por algum outro processo de deformação
a frio anterior à usinagem.
Prof. Gustavo Simão50
Região A – alta taxa de desgaste de cratera, devido ao processo difusivo causado pela alta temperatura gerada (alta velocidade de corte).Região B – deformação plástica da ferramenta (alto avanço)Região C – empastamento do cavaco ( Vel. de corte baixa) Região D – alguma def. plástica da ferramenta. Região E – algum desgaste de cratera.
A figura abaixo mostra um diagrama com indicações gerais sobre as velocidades de corte e os avanços para o torneamento de aços inoxidáveis com inserto de metal duro
Prof. Gustavo Simão51
Fatores Metalúrgicos que Afetam a Usinabilidade dos Ferros Fundidos
Ferros Fundidos são ligas de ferro-carbono com percentagem de
carbono entre 2 e 4%, contendo ainda outros elementos de liga como o
silício, o manganês, o fósforo e o enxofre, além do níquel, cromo,
molibdênio e cobre.
Suas principais propriedades são a boa rigidez, resistência à compressão
e baixo ponto de fusão, o que possibilita a utilização da fundição como
processo de fabricação.
Prof. Gustavo Simão52
• O carbono está presente nestas ligas como carboneto (cementita) e
como carbono livre (grafite).
• O teor de cada uma destas formas depende parcialmente da
quantidade de outros elementos de liga.
• Um ferro fundido com alto teor de silício apresentará muito carbono
livre e quase nenhuma cementita ( o silício é um poderoso
grafitizante)
Prof. Gustavo Simão53
• Ferro Fundido Cinzento – alto teor de silício, entre 1 a 3%, grafite em
forma de lamelas.
• Ferro Fundido Branco – baixo silício, muita cementita e pouco grafite,
é duro e frágil.
• Ferro Fundido Maleável – tratamento térmico transforma o ferro
fundido branco em maléavel, dúctil e resistente. Grafite em forma de
nódulos.
• Ferro Fundido Nodular – inoculação. Grafite esferoidal. A resistência
mecânica, a tenacidade e a ductilidade aumentam
consideravelmente.
Tipos de Ferros Fundidos:
Prof. Gustavo Simão54
A figura abaixo mostra uma comparação entre estes tipos de ferros fundidos com respeito à usinabilidade
Cin
zent
o
Mal
eáve
l
Nod
ular
Bra
nco
Prof. Gustavo Simão55
• O ferro fundido branco (cheio de carbonetos duros e abrasivos) tem
uma usinabilidade da ordem de 10 vezes menor que o cinzento.
• O ferro fundido cinzento forma cavacos de ruptura, enquanto os
maleáveis e nodulares formam cavacos longos.
• Na usinagem de ferros fundidos cinzentos não se utiliza fluído de
corte líquidos, pois este poderia carregar os minúsculos cavacos
formados consigo e fazê-los penetrar nas partes de atrito da
máquina-ferramenta, danificando-a.
Prof. Gustavo Simão56
Com isso, se torna difícil a obtenção de tolerâncias apertadas, devido ao
fato de que a peça se aquece bastante e, com isso, se dilata muito. A
opção para operações de usinagem em acabamento de ferros fundidos
cinzentos é a utilização de ar comprimido como fluido refrigerante.
Prof. Gustavo Simão57
Além da influência do silício na usinabilidade via formação de ferro
fundido cinzento, outros elementos de liga também influem na
usinabilidade dos ferros fundidos. A influência destes pode ser dividida
em 2 tipos:
1. Os formadores de carbonetos (cromo, cobalto, manganês,
molibdênio e vanádio) que prejudicam a usinabilidade.
2. Os grafitizantes (silício, níquel, alumínio e cobre) que auxiliam a
usinabilidade.
Prof. Gustavo Simão58
O sulfeto de manganês também é utilizado nos ferros fundidos para
melhorar a usinabilidade
Para concluir, em termos gerais pode ser dito que quanto maior a
dureza e a resistência de um tipo de ferro fundido pior é sua
usinabilidade.