Pelo processo de fabricação de usinagem, os materiais podem ser moldados nos produtos desejados. No entanto, a usinagem de materiais nem sempre é uma tarefa fácil, porque as propriedades dos materiais e as condições específicas de usinagem desempenham um papel vital na determinação da suavidade e eficiência de todo o processo. Todas essas considerações estão relacionadas à palavra-chave “maquinabilidade”.
A usinabilidade é uma propriedade essencial que caracteriza a facilidade de remoção de material de uma peça durante um processo de usinagem. Materiais com boa usinabilidade são altamente exigidos na fabricação, pois permitem uma usinagem mais rápida e eficiente, resultando em reduções de custos e melhoria na qualidade do produto.
Neste artigo ilustraremos o conceito de usinabilidade, explorando os fatores que a influenciam. Além disso, discutiremos vários métodos que podem ser adotados para melhorar a usinabilidade e como medi-la.
O que é usinabilidade?
Usinabilidade refere-se à facilidade de usinagem de um material, especificamente sua capacidade de ser cortado, moldado ou modificado por diversos processos de usinagem. Em outras palavras, mede a rapidez com que um material pode ser usinado na forma desejada.
A usinabilidade de um material é um indicador importante para avaliar o tempo e o custo de produção de um produto a partir dele. Para garantir a eficiência da produção, a vida útil da ferramenta e a qualidade do produto final, é muito necessário entender o que determina a usinabilidade e quais medidas podem ser tomadas para melhorá-la.
Quais são os fatores que afetam a usinabilidade?
A usinabilidade de um material depende tanto de suas propriedades físicas (de que é feito) quanto de sua condição (como foi processado). As propriedades físicas são fixas, mas a condição pode variar bastante.
Propriedades físicas
Endurecimento por trabalho: Refere-se ao fenômeno em que um metal se torna mais duro e mais forte à medida que é deformado plasticamente. Este endurecimento pode tornar a peça mais difícil de cortar, levando a um maior desgaste da ferramenta e dificuldade em manter a precisão.
Expansão térmica: O coeficiente de expansão térmica mede o grau de expansão térmica de materiais sólidos. Quanto maior o coeficiente, os materiais estão sujeitos a maior expansão quando aquecidos, o que pode afetar a precisão da usinagem.
Condutividade térmica: É a capacidade de um material conduzir calor diretamente. Materiais com alta condutividade térmica dissipam o calor mais rapidamente, reduzindo a carga térmica na ferramenta de corte e melhorando a vida útil da ferramenta.
Módulo de elasticidade: mede a resistência dos materiais à deformação elástica. Materiais com maior módulo de elasticidade são mais rígidos e menos propensos a flexão sob forças de corte, o que pode melhorar a precisão dimensional durante a usinagem. No entanto, materiais excessivamente rígidos também podem ser mais frágeis e propensos a fissuras.
Fatores de condição
Microestrutura: Refere-se à distribuição e disposição dos grãos e fases dentro de um material. Estruturas uniformes e de granulação fina geralmente melhoram a usinabilidade do material, enquanto estruturas de granulação grossa ou irregular podem levar a usinagem instável e aumento do desgaste da ferramenta.
Tamanho de grão: Tamanhos de grão menores geralmente resultam em melhor usinabilidade, pois reduzem a probabilidade de formação de trincas e lascas.
Tratamento térmico: pode impactar significativamente a usinabilidade dos materiais, alterando suas propriedades mecânicas. Iremos aprofundar isso mais adiante no texto.
Dureza: Materiais mais duros são geralmente mais difíceis de usinar, pois resistem ao corte, levando a um maior desgaste da ferramenta.
Resistência à tração: Mede a tensão máxima de um material pode suportar sob tensão antes de quebrar. Materiais com alta resistência à tração são mais difíceis de usinar devido à sua resistência ao corte, o que pode aumentar o desgaste da ferramenta e as forças de usinagem.
Além dos cinco fatores acima, a usinabilidade dos materiais também é influenciada por vários outros aspectos, como métodos de usinagem, material e geometria da ferramenta de corte, parâmetros de corte, lubrificação e resfriamento, status do equipamento, etc.
Como a usinabilidade pode ser melhorada?
Tal como acima, a introdução desses factores permite-nos compreender claramente como eles influenciam a maquinabilidade. As propriedades inerentes dos metais, como módulo de elasticidade, expansão térmica e condutividade térmica, são suas características físicas imutáveis. No entanto, existem abordagens para alterar as condições e o processo de usinagem para tornar a peça mais fácil de usinar. Especificamente, podemos melhorar a usinabilidade nas duas categorias principais a seguir.
Categoria Um: Sem alterar as propriedades do material
Esta abordagem concentra-se na otimização das condições encontradas durante os processos de usinagem. Aqui estão alguns métodos específicos conforme abaixo.
Seleção de Materiais
Selecione materiais com usinabilidade inerentemente melhor. Alguns materiais possuem usinabilidade favorável devido à sua composição química e microestrutura. Priorize materiais com dureza moderada, boa condutividade térmica e baixa adesividade.
Selecione e atualize ferramentas de corte
Selecione ferramentas feitas de materiais apropriados (por exemplo, metal duro, aço rápido) com base no material que está sendo usinado. Use ferramentas com ângulos de saída, ângulos de folga e designs de aresta de corte ideais para reduzir as forças de corte e melhorar o escoamento de cavacos.
Otimize os parâmetros de usinagem
Ao otimizar os parâmetros de corte, como velocidade de corte, avanço e profundidade de corte, a vida útil da ferramenta pode ser estendida e o acabamento superficial melhorado, melhorando, em última análise, a usinabilidade. Por exemplo, aumentar a velocidade de corte e a taxa de avanço dentro de limites razoáveis pode aumentar as taxas de remoção de material, mas aumentos excessivos devem ser evitados para evitar superaquecimento e desgaste da ferramenta. Além disso, ajustando adequadamente a profundidade de corte – utilizando profundidades maiores para usinagem de desbaste e profundidades menores para usinagem de acabamento de acordo com a tarefa em questão – é possível garantir a qualidade da superfície e a eficiência da usinagem.
Aplicar lubrificantes e refrigerantes
Aplicação de lubrificantes e refrigerantes adequados para minimizar o atrito, a geração de calor e o desgaste da ferramenta durante as operações de usinagem, para melhorar a qualidade da superfície usinada.
Melhore a configuração da máquina e da peça
O uso de uma máquina-ferramenta com alta rigidez e manutenção ideal, juntamente com a adoção de acessórios e suportes adequados para fixar uniformemente a peça de trabalho, pode prevenir eficazmente a deformação e o movimento. Isso garante resultados consistentes e precisos.
Adote métodos de usinagem adequados
A usinagem de diferentes materiais para obter os formatos desejados geralmente requer tipos específicos de equipamentos. Ao usar uma variedade de equipamentos em uma oficina mecânica, como usinagem por descarga elétrica de fio (WEDM), é possível manusear com eficácia materiais duros ou projetos complexos que outros métodos não conseguem gerenciar com eficiência.
Categoria Dois: Alteração das Propriedades dos Materiais
Tratamentos térmicos
O tratamento térmico é um método altamente eficaz para melhorar a usinabilidade, mas é crucial reconhecer que a aplicação de tratamento térmico e tratamentos de endurecimento por trabalho a materiais nos estágios iniciais de produção pode aumentar significativamente sua dureza, tornando-os mais difíceis de usinar. Portanto, é aconselhável adiar os tratamentos térmicos e outros processos de endurecimento para depois da usinagem. A têmpera, muitas vezes associada ao revenido, é o processo típico usado após a usinagem para melhorar as propriedades mecânicas finais da peça.
Entretanto, se o adiamento for impossível, considere recozer a peça antes da usinagem para amolecer o material e aliviar a tensão interna. Aqui estão os pontos-chave desses métodos de tratamento térmico comumente usados.
Recozimento: Este processo envolve aquecer o material a uma determinada temperatura, mantê-lo por um período de tempo e depois resfriá-lo lentamente. O tratamento de recozimento torna o material mais macio, reduzindo a resistência durante o corte, diminuindo o desgaste da ferramenta, melhorando assim a usinabilidade.
Normalização: Este processo aquece o material acima de sua temperatura crítica e depois permite que ele esfrie naturalmente ao ar. A normalização refina a estrutura granular do material, conferindo-lhe uma textura mais uniforme que melhora a trabalhabilidade. Também melhora a consistência durante o processo de usinagem e reduz o desgaste da ferramenta.
Têmpera e Revenimento: A têmpera é um processo em que os materiais são aquecidos e depois resfriados rapidamente, enquanto o revenido é um processo que reaquece os materiais temperados a uma temperatura mais baixa e depois os resfria. Os materiais que passaram por têmpera são geralmente difíceis de processar, necessitando de revenimento para otimizar sua dureza e tenacidade, a fim de torná-los mais fáceis de usinar. A temperatura e o tempo de têmpera adequados podem melhorar muito o desempenho do processamento.
Aditivos
A adição de elementos específicos pode alterar profundamente a usinabilidade de um material. Algumas formas comuns são as seguintes:
Adição de chumbo: Adicionar uma pequena quantidade de chumbo a um material pode aumentar significativamente sua lubricidade. Isto reduz o atrito e o desgaste da ferramenta de corte, tornando o processo de corte mais suave e os cavacos resultantes mais fáceis de manusear.
Outros aditivos: A adição de enxofre ou fósforo apropriado pode melhorar a fratura dos cavacos, reduzindo as forças de corte e melhorando ainda mais a usinabilidade.
Como a usinabilidade é medida?
A avaliação da usinabilidade de um material é um processo multifacetado que considera diversos fatores. Freqüentemente realizamos avaliações qualitativas a partir dos seguintes aspectos.
Vida útil da ferramenta: Vida útil mais longa da ferramenta indica usinabilidade mais fácil. Materiais que permitem que as ferramentas durem mais em condições semelhantes são considerados de melhor usinabilidade.
Forças da ferramenta e consumo de energia: Forças de corte mais baixas e consumo de energia reduzido durante a usinagem indicam melhor usinabilidade. Esses fatores são frequentemente medidos por meio de equipamentos especializados que registram a quantidade de força e energia necessárias para usinar o material.
Acabamento de superfície: Materiais que podem ser usinados até obter um acabamento liso sem necessidade de processamento extra têm maior usinabilidade.
Formato do cavaco: cavacos mais curtos e encaracolados indicam usinagem mais fácil, enquanto cavacos longos e fibrosos indicam dificuldade de usinagem.
Embora esses métodos sejam comumente usados, eles servem principalmente como referências qualitativas e podem não ser totalmente confiáveis devido à influência de vários fatores no consumo de energia, desgaste da ferramenta e acabamento superficial. Para obter uma perspectiva mais quantitativa, vamos explorar o AISI Turning Test Rating System.
Sistema de classificação de testes de torneamento AISI
É o sistema de classificação de usinabilidade mais amplamente adotado, conduzido pelo American Iron and Steel Institute (AISI). Este sistema compara a usinabilidade de um material com o aço B1112, que serve como padrão de referência com uma dureza Brinell de 160. A classificação de usinabilidade é expressa como uma porcentagem, onde o aço B1112 é definido como linha de base com uma classificação de 100%.
Neste sistema, os materiais mais fáceis de usinar que o aço B1112 terão uma classificação de usinabilidade superior a 100%, enquanto os materiais mais difíceis de usinar terão uma classificação inferior a 100%.
Materiais
Classificação de usinabilidade
Alumínio 6061
480% – 320%
Alumínio 7075
480% – 320%
Aço Baixo Carbono 1010
64% – 40%
Aço Baixo Carbono 1018
80% – 44%
Aço Médio Carbono 1045
60% – 28%
Aço inoxidável 304
64% – 44%
Aço inoxidável 316
36%
Latão 260
105% – 100%
Latão 360
160% – 200%
Liga de titânio grau 2
30%
Liga de titânio grau 5
35% – 30%
Liga de titânio grau 23
28% – 25%
Liga de magnésio ZK60A
65% – 60%
Liga de magnésio AZ31
55% – 50%
Tabela de classificações de usinabilidade
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A usinabilidade é um indicador chave do tempo e custo necessários para fabricar peças. Materiais com alta usinabilidade são mais fáceis de processar, mas isso nem sempre significa alto desempenho. Em alguns cenários, são necessários materiais com menor usinabilidade. Para otimizar os resultados de usinagem, podemos ajustar os métodos de usinagem e outras variáveis.
Na Chiggo, temos experiência e equipamentos avançados para fornecer usinagem econômica e de alta qualidade para diversos materiais. Entre em contato conosco para design gratuito e otimização do processo de fabricação.
Materiais Usináveis Comuns
Alumínio
O alumínio é um metal macio, leve e altamente usinável. Entre suas variantes, o Alumínio 6061 é frequentemente reconhecido como um dos mais usináveis.
Aço
Embora a usinagem de aço possa ser mais complexa do que a usinagem de ligas de alumínio, o aço-carbono é geralmente mais fácil de usinar em comparação com os aços com alto teor de carbono e proporciona um bom acabamento superficial. Produz cavacos curtos e não causa desgaste excessivo da ferramenta. Além disso, certos tipos de aço inoxidável, como o 303, contêm aditivos como chumbo para melhorar a usinabilidade.
Plásticos
Os termoplásticos são difíceis de usinar porque o calor gerado pelas ferramentas de corte pode fazer com que os plásticos derretam e adiram à ferramenta. No entanto, plásticos como ABS, nylon, PTFE e Delrin oferecem excelente usinabilidade.
Outros metais
Outros metais usináveis incluem latão, ligas de magnésio, ligas de chumbo, etc. O latão, uma liga de cobre, tem natureza macia com boa resistência à tração, exibindo muito boa usinabilidade. As ligas de magnésio são metais leves com boa usinabilidade. As ligas de chumbo, compostas principalmente de chumbo com vários aditivos, oferecem baixo atrito, boa resistência ao desgaste e usinabilidade, mas seu uso é limitado devido a preocupações com toxicidade.
Usinabilidade vs. Trabalhabilidade
Trabalhabilidade refere-se à facilidade com que um material pode ser moldado e moldado nas configurações desejadas por meio de processos como dobra, forjamento, estiramento e extrusão. Abrange aspectos como ductilidade (capacidade de deformar sob tensão de tração), maleabilidade (capacidade de deformar sob tensão de compressão) e conformabilidade (facilidade de formar formas complexas sem fissuras). A trabalhabilidade inclui processos de trabalho a frio e a quente.
A usinabilidade se refere especificamente à facilidade com que um material pode ser cortado, moldado ou acabado usando máquinas-ferramentas como tornos, fresadoras e máquinas CNC. Envolve fatores como velocidade de corte (taxa de remoção de material), desgaste da ferramenta (taxa de desgaste das ferramentas de corte), acabamento superficial (qualidade da superfície usinada) e precisão (capacidade de atingir tolerâncias rígidas e dimensões precisas). A usinabilidade concentra-se no comportamento do material sob condições de corte e na sua interação com as ferramentas de corte.
