Ensaios de usinabilidade dos metais

Ensaios de Usinabilidade dos Metais

Professora: Maria Adrina Paixão de Souza da Silva, Dra. Eng.

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁINSTITUTO DE TECNOLOGIA DA UFPA

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICADISCIPLINA: USINAGEM DOS METAIS

DEFINIÇÃO

Usinabilidade - De um modo geral, é o grau de dificuldade de se usinar um determinado material.

DEFINIÇÃO

As propriedades do material que podem afetar a usinabilidade de um material são:

• Dureza

• Taxa de encruamento

• Resistência a tração

• Ductilidade

• Condutividade térmica

DEFINIÇÃO

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

DEFINIÇÃO

Condutividade térmica ↑

• Melhora a usinabilidade• Diminui o calor gerado na região de corte

Dentre os tipos de materiais mais usinados, os que têm maior condutividade térmica são:1. Os alumínios2. Os aços não ligados3. Os aços ligados4. Os aços inoxidáveis

DEFINIÇÃO

Taxa de encruamento ↑

Dificulta a usinagem•Dificulta a formação de cavacos• Aumenta os esforços de corte• Tendências a formação de aresta postiça

Nota: Quando metais são deformados plasticamente, eles aumentam sua resistência. A esse fenômeno dá-se o nome de encruamento.Aços carbono têm baixa taxa de encruamento.Aços inox. Austeníticos têm alta taxa de encruamento.

OUTROS FATORES IMPORTANTES DE INFLUÊNCIA NA USINABILIDADE

A usinabilidade não depende somente das condições intrínsecas do material (fatores metalúrgicos), mas depende também de:

• Condições de usinagem• Características da ferramenta• Condições de refrigeração• Rigidez do sistema máquina-ferramenta• Tipo de operação (corte intermitente ....)• Etc....

É comum de se pensar no meio produtivo, que a usinabilidade é uma propriedade intrinsecamente ligada à dureza do material da peça e à sua resistência mecânica.

Assim, segundo este raciocínio, um material mole é de boa usinabilidade e um material duro de baixa usinabilidade.

Verdadeiro ou falso ?

Exemplo:Comparando os dois aços inox:

- Aço 303- Aço 316

Porém o aço 303 tem maior usinabilidade que o 316 porque ele possui sulfeto de managanês, que melhora a usinabilidade.

Mesma dureza

ÍNDICE DE USINABILIDADE (IU)

É um valor numérico que serve de comparação.

Assim comparando dois materiais, diremos que aquele que tiver um índice de usinabilidade mais alto é o material mais fácil de se usinar.

Um material pode ter um valor de usinabilidade baixo em certas condições de usinagem e um valor maior em outras condições, por exemplo.

Com relação aos critérios de usinabilidadebaseados na rugosidade, pode-se dizer que

o alumínio tem uma usinabilidade alta?

Em condições normais de usinagem, o cavaco formado é longo e o acabamento superficial obtido é insatisfatório.

Porém, bons acabamento superficiais podem ser obtidos se a velocidade de corte for suficientemente alta e a geometria da ferramenta adequada.

ENSAIO DE USINABILIDADE

Existem diversos métodos para medir a usinabilidade de um material.

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).

ENSAIO DE USINABILIDADE

Existem também os ensaios de curta duração que são utilizados para avaliar

outros fatores como:

• Rugosidade• Força de usinagem• Etc.

Nestes casos normalmente as condições de usinagem são forçadas para justamente para obter o resultado em pouco tempo de ensaio.

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.

Por exemplo, a liga de alumínio-silício contém partículas de silício altamente abrasivas e desgastam rapidamente a ferramenta de metal duro.

Importante saber que:

As propriedades mecânicas e térmicas do alumínio puro são fatores decisivos nas características de usinagem de suas ligas.

Você sabia que EAÇO= 3EAlumínio ?

Isto significa que, sob a mesma força de corte, o alumínio se deforma 3 vezes mais do que o aço.

Condutibilidade do Al = 2 Aço

Embora algumas ligas de alumínio apresentem uma resistência equivalente à do aço com baixo carbono em temperatura ambiente, em temperaturas elevadas a sua resistência é bastante reduzida.

O alumínio tem uma elevada condutividade térmica o que faz com que boa parte do calor vá para a peça.

Isto favorece a usinabilidade destas ligas já que a elevação da temperatura é inerente ao processo.

Propriedade positiva: alta condutividade térmica; Melhora a usinabilidade.

Propriedade negativa: Baixa dureza; Favorece a formação da APC.Prejudica o acabamento da peça e provoca desgaste frontal da ferramenta

A alta condutividade térmica favorece a usinabilidade destas ligas já que a elevação da temperatura é inerente ao processo.

O material de ferramenta típico para a usinagem de ligas de alumínio (com exceção das ligas de silício) é o metal duro de classe K sem cobertura.

- Temperaturas de corte baixos.- Não há desgaste de cratera incentivado pela difusão.

CLASSES – NORMA ISO

A classe K é recomendada pois as temperaturas de corte são mais baixas, e por isso a formação do desgaste de cratera via processo difusivo não é um problema.

ELEMENTOS DE LIGAS E SUAS INFLUÊNCIAS NA

USINABILIDADE DO ALUMÍNIO

USINABILIDADE DO AÇO

Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços:

• Dureza• Microestrutura• Presença de Inclusões• Presença de elementos de liga

FATORES QUE AFETAM A

USINABILIDADE DOS AÇOS

• DurezaO fator que predominantemente afeta a usinabilidade é sem dúvida a dureza.

• Dureza200 HB é um bom valor referencial em termo

de dureza.No entanto

Dureza > 200HB Dureza < 200 HB• Aumenta os esforços • Aumenta a dutilidade de corte• Aumenta o desgaste • Tendências APC via abrasão e difusão

• MicroestruturaA 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 extremamamente dura.

• Microestrutura

1. Quando o material tem uma microestrutura predominantemente martensítica, que é extremamente dura, a vida da ferramenta é reduzida.

2. Quando o teor de cementita, que é uma fase extremamente abrasiva - pois é cheia de carbonetos que são partículas extremamente duras - é predominante, a vida da ferramenta também é reduzida.

• Presença de InclusõesSão 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.São desejáveis quando ajudam na remoção rápida do material e na formação do cavaco curto, que retarda o desgaste da ferramenta.São indesejáveis quando são duras e abrasivas provocando o desgaste rápido da ferramenta.

• Presença de elementos de liga

- Alguns elementos de liga têm efeito positivo na usinabilidadeChumbo, 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 cavacoQuando C> 0.6: material duro e abrasivo, desgaste rápido da ferramenta.

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.

Três classes: • Ferrítico (cromo principal elemento) • Austenítico (série 300) (presença da

austenita à Temp. ambiente faz que tenha maior deformabilidade, podendo ser conformado a frio e a quente)

• Martensítico (400) (presença da austenita a Temp > 723°C)

AÇO INOX

Características

Aço Martensítico- Muito duro- Alto teor de carbono- Formação de partículasduras e abrasivas decarbonetos de cromo- Gera elevados esforçosde corte

AÇO INOX

Características

Aço Austenítico-Não muito duro - Baixa cond. Térmica -Alta taxa de encruamento (retém calor na região- Grande zona de plasticidade de corte) -Formação de cavacos longos - Alto coeficiente de que tendem a empastar sobre atrito (aumenta os a superfície de saída esforços de corte) - Formação da APC - Alto coeficiente de

dilatação térmica (dificuldade de obtenção de tolerâncias apertadas)

AÇO INOX

Os aços inox normalmente têm uma usinabilidde baixa, no entanto a usibilidade pode ser melhorada adicionando elementos de liga como o Manganês e o Enxofre, que combatem o encruamento do material durante a usinagem

AÇO INOX

ESTUDO DE CASO

Influência da Microestrutura na Usinabilidade dosAços Inoxidáveis AISI 630 com e sem Adição de

CálcioH. Matsumoto , J. Minatogawa , J. Gallego .

ESTUDO DE CASO

Motivação

• Redução de custo de fabricação- Maior taxa de remoção de material- Maior vida útil da ferramenta

Nota: Sem acarretar prejuízo nas propriedadesmecânicas.

ESTUDO DE CASO

A adição de cálcio provoca uma modificação da natureza e da morfologia das inclusões e é uma técnica já conhecida pelas aciarias modernas.

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.

ESTUDO DE CASO

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.

ESTUDO DE CASO

MATERIAIS E MÉTODOS

Para a realização dos ensaios de usinabilidade foi utilizado um torno CNC de 5,6 kW de potência e rotação máxima de 4000 rpm. A ferramenta de corte utilizada foi um inserto de metal duro, intercambiável, ISO WNMG-06T308-TF-IC907, com cobertura PVD de TiAlN, comprimento da aresta de corte de 6,52 mm, espessura de 3,9 mm;raio de ponta de 0,8 mm e ângulo de saída de 13°. Porta ferramenta ISO PWLNR 20X20-K-08, ângulo de posição 90° e ângulo de folga 6°.

ESTUDO DE CASO

A rugosidade da peça usinada foi medida com um rugosímetro Taylor/Robson “Surtronic 3”, digital de 0,01μm e o desgaste da ferramenta foi medido com o auxílio de um microscópio.

Os materiais ensaiados foram os aços inoxidáveis AISI 630 convencional e modificado com adição de cálcio (AISI 630UF), não endurecidos, ambos com dureza aproximada de 33 HRC, com as principais composições químicas apresentadas na tabela.

ESTUDO DE CASO

Parâmetros de corteVc = 250 m/min, ap = 1,0 mm, avanço f = 0,25 mm.

Em cada caso, após duas passadas da ferramenta ao longo da peça, foi retirada a pastilha para avaliação e medição do desgaste máximo de flanco (VBBmáx) e da rugosidade.

Como critério de fim de vida foi adotado VBBmáx = 0,3 mm ou tempo de corte = 25 minutos, prevalecendo o que ocorresse primeiro, ou seja, os ensaios eram finalizados quando ocorresse qualquer um dos casos, salvo acidentes de percurso como trincas ou lascamento da pastilha, os quais finalizaram automaticamente o ensaio.

ESTUDO DE CASO

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.

ESTUDO DE CASO

RESULTADOS

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%.

ESTUDO DE CASO

O acabamento superficial do aço modificado foi cerca de 30% melhor.

ESTUDO DE CASO

CONCLUSÕES DO ESTUDO

Após usinagem, não houve alteração nas propriedadesmecânicas dos 2 materiais que pudesse ser atribuída à presença de Calcio e Enxofre.

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.

A formação de cavacos descontínuos (curtos) no aço modificado, proporcionou um menor desgaste da ferramenta econtribui para a melhoria do acabamento superficial (rugosidade).

USINABILIDADE DO FERRO FUNDIDO

Ferros fundidos são ligas ferro-carbono com porcentagem 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.

Principais propriedades:

• Boa rigidez

• Resistência à compressão

• Baixo ponto de fusão

USINABILIDADE DOS DIVERSOS TIPOS DE

FERRO FUNDIDO

USINABILIDADE DO FoFo

O Silício influencia significativamente a usinabilidade.

FoFo com 12% de Silício ou mais são praticamente impossíveis de serem usinados.

Além da influência do silício na usinabilidade, outros elementos de liga também influem na usinabilidade dos ferros fundidos

A influência dos elementos pode ser dividida em 2 tipos:Os formadores de carboneto (cromo, cobalto, manganês, molibdênio e vanádio), que prejudicam a usinabilidade devido ao fato de que os carbonetos são partículas muito duras e abrasivas.

Os grafitizantes (silício, níquel, alumínio e cobre) auxiliam na usinabilidade.

O sulfeto de manganês também é utilizado nos ferros fundidos para melhorar a usinabilidade.

Conclusão:

Em termos gerais podemos dizer que quanto maior a dureza e a resistência de um tipo de ferro fundido pior é a sua 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, enquanto que os maleáveis e nodulares formam cavacos longos.

USINABILIDADE DO FoFo BRANCO

O FoFo Branco contém de 2.5 a 3.5% C apresenta baixo teor de Silício, alto teor de carbeto de ferro e pouco grafite livre.

O resultado é uma estrutura muito dura, resistente, quebradiça e sua usinabilidade é dificílima.

Quando a sua dureza é da ordem de 300 HB, a usinagem é praticamente impossível.

Ele é utilizado para a moldagem de peças que não devem ser usinadas como:Tubos para abastecimento de água ou gás.

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, de boa usinabilidade.

USINABILIDADE DO FoFo NODULAR

O FoFo Nodular também chamado às vezes de FoFo ductil 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 e apresenta o carbeto de ferro e grafite em forma esferoidal (nodular).

A normalização e o revenimento do FoFo nodular aumenta sua resistência, mas o torna mais quebradiço.

Apesar de ser mais resistente, ele é usinável.

LIGAS RESISTENTES AO CALOR

Muitas aplicações industriais atuais, assim como as construções aeronáuticas, requerem materiais mais tenazes com maior resistência às altas temperaturas.

A esta demanda respondem os aços inox e uma grande variedade de ligas resistentes ao calor, compostas de Ni, Mo,Co, W, Titânio, ferro e outros elementos.

Algumas dessas ligas eram tidas como impossíveis de usinar-se.

Todavia as conquistas no domínio da teoria da usinagem e dos fluídos de corte permitem hoje o uso extenso dessas ligas nas variadas construções.

LIGAS RESISTENTES AO CALOR

Por exemplo, na usinagem do titânio, o seguinte quadro é encontrado:

• grau de dificuldade da usinagem é muito grande• vida da ferramenta curta• calor desenvolvido muito alto

Bibliografias• ABREU FILHO, Carlos. Tornearia Mecânica – Notas de

Aula, Belém, 2007.

• AGOSTINHO, Oswaldo Luis. VILELLa, Ronaldo Castro (In Memoriam), BUTTON, Sérgio Tonini. Processos de Fabricação e Planejamento de Processos. Universidade Estadual de Campinas - Faculdade de Engenharia Mecânica - Departamento de Engenharia de Fabricação - Departamento de Engenharia de Materiais. Campinas, SP. 2004

• BRAGA, Paulo Sérgio Teles, CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção – Mecânica - Processos de Fabricação, SENAI/CST, Vitória, ES. 1999.

• COSTA, Éder Silva & SANTOS, Denis Júnio. Processos de Usinagem. CEFET-MG. Divinópolis, MG. março de 2006

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• FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos Metais. Editora Edgard Blücher LTDA. São Paulo, SP, 1977

• INMETRO. SISTEMA Internacional de Unidades – SI (tradução da 7ª edição do original francês “Le Système International d’Unités”, elaborada pelo Bureau International des Poids et Mesures - BIPM). 8ª edição Rio de Janeiro, 2003. 116 p.

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• reimpressão.

Bibliografias• PALMA, Flávio. Máquinas e Ferramentas. Apostila,

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