Prof. Willian J. Gonzlez Castillo

So Jos, 2010

Usinabilidade ZvO termo usinabilidade compreende todas as propriedades de um material que tm influncia sobre o processo de usinagem. Com o termo usinabilidade so descritas todas as dificuldades que um material apresenta na sua usinagem. A usinabilidade baseia-se na posio e no comportamento de desgaste em relao velocidade de corte. Para uma certa operao, a usinabilidade Zv deve ser aceita como boa quando o material pode ser usinado com velocidade de corte elevada e com seo de cavaco grande, resultando um pequeno desgaste da ferramenta.

Critrios para avaliao da usinabilidade a) b) c) d) Vida da ferramenta Fora de usinagem Qualidade superficial da pea Formao do cavaco

Critrio vida da ferramenta Para caraterizao da usinabilidade de um material o critrio vida da ferramenta de maior importncia. A vida T medida em minutos minutos durante o qual uma ferramenta resiste do incio do corte at a sua utilizao total, relacionada a um certo critrio de fim de vida sob certas condies de usinagem.

Fatores que influenciam a usinabilidade MaterialComposio qumica, microestrutura, dureza, propriedades mecnicas, etc.

da

pea:

Ferro fundido cinzento

Ferro fundido nodular

Fatores que influenciam a usinabilidade Processo e condies de usinagem:material e geometria da ferramenta, condies de trabalho, tipo de processo, etc.

Critrios de usinabilidade

Forma dos cavacos

Fora de usinagem

Critrios de usinabilidade

Vida da ferramenta

Tipo de cavaco

Critrios de usinabilidade

Qualidade da superfcie

Vida da ferramenta Perodo no qual uma ferramenta pode ser mantida usinando de forma econmica O critrio econmico pode ser relacionado principalmente com: tolerncias dimensionais tolerncias geomtricas qualidade superficial da pea nvel de vibraes no processo nvel de esforos no processo possibilidade de reafiao da ferramenta

Critrio de vida da ferramenta Determinao da vida Testes de longa durao Resultados precisos Tempo, quantidade de material e custo elevados Testes rpidos Testes rpidos S trazem valores de comparao Econmicos

Critrio de fim de vida da ferramentaCritrios de fim de vida So critrios que so utilizados para determinar quando uma ferramenta deve ser substituida no processo. Esses critrios relacionado ao nvel de desgaste na ferramenta, e suas conseqncias diretas : desvios nas tolerncias dimensionais desvios nas tolerncias geomtricas perda de qualidade superficial da pea aumento no nvel de vibraes no processo aumento no nvel de esforos no processo aumento do custo de reafiao da ferramenta

Principais critrios de fim de vidaPrincipais critrios de fim de vida Falha completa da ferramenta Falha preliminar da ferramenta Desgaste de flanco (VB) ou de cratera (KT) Vibraes (monitoramento) Acabamento superficial ruim Rebarbas Alteraes nos cavacos Alteraes nas dimenses de corte Alteraes nas foras de usinagem (monitoramento) Aumento nas temperaturas

Teste de vida de ferramentas Testes de torneamento temperatura Teste de longa durao utilizado quando o fator dominante na vida da ferramenta a temperatura vc e f constantes at a destruio total da ferramenta (desgaste hiperproporcional) Constar no relatrio os instantes em que aparecem rudos, modificaes nos cavacos, marcas na pea e tempo total para destruio da ferramenta No torneamento longitudinal, escolher quatro velocidades de corte que proporcionam vidas entre 5 e 60 minutos Usualmente empregado ao rpido HS 10-4-3-10.

Teste de vida de ferramentas100 min 80 60 40 30 20 Vida T v c30= 37 m/min Pontos de medio T Vida vc Velocidade de corte Inclinao da curva vc Material da pea Ck 45 Material da ferramenta S 10-4-3-10

v = 95 k = tan = -11,4 v - 1 = 0,09 k 10 0,09 = 50 v c30 T 86 4

v

2 v c30 1 10 60 m 100 min Velocidade de corte vc 20 40

Em um papel log-log com divises iguais, na abcissa alocada a velocidade de corte vc em m/min, e na ordenada a vida T em minutos. O comportamento da curva pode ser aproximado por uma reta sobre toda a extenso do campo de velocidade

T = v Cv

k c

Teste de vida de ferramentas Testes de torneamento Desgaste Executados quando o desgaste, e no a temperatura, determinante no fim da vida da ferramenta Ferramentas de metal duro e ao rpido em altas velocidades de corte apresentam desgastes de flanco e cratera Mantendo-se vc constante acompanha-se a evoluo do desgaste no flanco e na face Medidas de desgaste Marca de desgaste de flanco VB Profundidade de cratera KT Afastamento mdio da cratera KM

Teste de vida de ferramentas Testes de torneamento DesgasteFlanco Face KM KT K= KT KM VB

vc1> vc2> vc3 lg VB VB max vc1 vc2 vc3 lg K K max

vc1 v c2

vc3

lg t c

-1 vc K = C T T lg T K

lg t c

lg T

VB

VBk = tg VB k = tg K

K

lg v

c

lg v c

Teste de vida de ferramentas Ensaios com variao contnua de velocidadeVelocidade de corte v c vcE Desgaste Hiperproporcional vcE Velocidade de corte mxima vc 25 m 0 25 m vc vcA Velocidade de corte inicial v Intervalo de velocidade de corte c ( v = 5m/min) c

vcA

25 m

25 m

25 m m

50 100 Comprimento de corte L

150

Adequado para: Superviso de fornecimento de materiais Determinao da usinabilidade de materiais tratados termicamente de maneira diferente

Teste de vida de ferramentasCritrio de fora de usinagem

Teste de vida de ferramentasMedio de fora de usinagem - Torneamento

Teste de vida de ferramentasFora especfica de corte e propriedades mecnicasParmetro: Aumento do teor de S250 Limite de ruptura Dureza HV10 A 5Dureza HV10 250 200 150 100 0 50 % 30 20 10 0 900 N/mm 700 500 300 0 0,85 0,75 0,65 0 1650 N/mm 1550 1450 0 C15G C35V Ck45 Ck45N Ck45N Ck53 Ck60G S+70-2 C35G Ck35V Ck45N Ck45N Ck45V Ck53N Ck60N Ck70N C35N Ck45G Ck45N Ck45N S+50-2 Ck53N Ck60V C105W1G Parmetro: Aumento do teor de C

150 0 30 % 20 10 0 1000 N/mm 800 600 0 0,16 % 0,12 0,08 0,04 0 1700

Resistncia trao R m

Teor de enxofre

Fora especfica k c1.1

N/mm 1600 1500 1400 0 Ck 45 N

Elementos de liga Cu

Fora especfica k c 1.1

Expoente de Kienzie 1- m c

Resistncia trao R m

Limite de ruptura A 5

Aos carbono

Teste de vida de ferramentas Critrio qualidade superficialGrandezas influentes sobre a qualidade superficial na usinagem de metais Rugosidade cinemtica Rugosidade da superfcie de corte Outras influncias

Movimento relativo do gume da ferramenta

Perfil do gume de corte

Mecanismo de corte de deformao no gume de corte; Zona de reteno de gume postio Influnciado por: Geometria de corte ativa ,, Tipo, estrutura e resistncia do material da pea Temperatura de corte Material de corte

Alterrao da superfcie de corte

Vibraes; cavacos em contato com a pea; deformao dos mecanismos de avano

Influenciado por: Avano Velocidade de corte

Influnciado por: Desgaste do gume secundrio Entalhes Abraso

Influnciado por: Desgaste na quina e superfcie livre Relao entre atrito e desgaste Fluido refrigerante

Influnciado por: Rigidez de sistemas dinmicos Ferramenta-pea-mquina Fora de corte Formao de cavaco Estrutura intem do gume Material da pea Condies de corte

Teste de vida de ferramentas Rugosidade cinemtica tericaR t = r ou R = f 8r r - f 4

Y

Regies f < 2 r cos ( r + r - 90) vlidas e r + r < 180

R t r Yp r

r

M1 f

M2

x

Teste de vida de ferramentas Rugosidade terica variando avanos e raio de quina28

m24 r = 0,25 mm 0,5

1 20 2

Rugosidade R

t 16 12 8

4

Rugosidade medida Rugosidade terica R t = f 8r

0 0 0,1 0,2 0,3 Avano f 0,4

mm

0,6

Teste de vida de ferramentas Influencia da velocidade de corte sobre a rugosidade24

m20

Material da pea C45N Material da ferramenta HW P-10 Seo transversal do cavaco a . f = 3. 0,25 mm Geometria do gume

6

5

s r r r 0 70 90 1,2 mm

16 t Rugosidade R 12 8 4 0 0 50 100 150 Velocidade de corte v m/min 250

Teste de vida de ferramentas Dependncia entre a rugosidade e o tempo de corte6 5 (m) f = 0,2 mm

4 f = 0,16 mm

Rugosidade R a

3

2 f = 0,1 mm 1

0 5 10 15 20 min 25 Tempo de corte t c (min)

Critrio formao de cavaco1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Em fita

Emaranhado

lice plana

lice oblqua

lice lice cilndrica cilndrica longa curta

lice espiral Bom

Espiral

Vrgula

Arrancados

til Desfavorvel

til

Fatores que influenciam a usinabilidade dos aosA usinabilidade dos aos depende de sua estrutura e propriedades mecnicas (dureza e tenacidade):

Teor de carbono; Elementos de liga; Tratamentos trmicos

Fatores que influenciam a usinabilidade dos aos Teor de carbono: Os principais elementos da estrutura desses aos so: - Ferrita (Fe-); - Cementita (Fe3C); - Perlita.

Fatores que influenciam a usinabilidade dos aos Teor de carbono:

Usinabilidade Z v+s

0,25%

Teor de carbono

Fatores que influenciam a usinabilidade dos aos Teor de carbono: Ferrita A ferrita apresenta uma resistncia pequena e baixa dureza, e tem uma alta deformabilidade. Cementita A cementita dura e frgil e praticamente no pode ser usinada. Dependendo do teor de carbono do ao a cementita pode se apresentar de forma livre ou ser solubilizada na perlita.

Fatores que influenciam a usinabilidade dos aos Teor de carbono: Perlita A perlita uma mistura euttica de ferrita e cementita. Nos materiais tratados nesse captulo, a perlita aparece principalmente na forma lamelar. Dependendo do tratamento trmico (recozimento), a perlita pode estar tambm presente na forma globular.

Fatores que influenciam a usinabilidade dos aosConstituintes dos aos carbono hipoeutetide sem ligaPERLITA Mistura euttica de ferrita (87%) e cementita (13%) Pequeno grau de deformao Alta dureza (210HV 10) Muito pequeno poder de adeso e ABS Provoca desgaste abrasivo Favorvel formao de cavacos Nenhuma formao de rebarbs Boa qualidade superficial FERRITA

- ferrokrz- tipo de estrutura Alto grau de deformao Baixa dureza (80-90 HV 10) Alto poder de adeso e ABS Pequena ao de desgaste Desfavorvel formao de cavacos Formao de rebarbs Baixa qualidade superficial

Fatores que influenciam a usinabilidade dos aos A usinagem da ferrita dificultada pelos seguintes fatores: Grande tendncia de adeso com a ferramenta formao de gume postio; Formao de cavacos em fitas e cavacos emaranhados (indesejveis), em decorrncia de sua alta deformabilidade; Qualidade superficial ruim e formao de rebarbas na pea.

Fatores que influenciam a usinabilidade dos aos A perlita apresenta dificuldades na usinagem pelos seguintes fatores: Forte desgaste abrasivo; Maiores foras de usinagem em decorrncia da sua menor deformabilidade e sua maior dureza.

Elementos de liga vs. usinabilidadeOs elementos de liga podem influenciar a usinabilidade de aos atravs da modificao da estrutura ou atravs da formao de incluses lubrificantes ou abrasivas.

MangansO mangans melhora a temperabilidade e aumenta a resistncia dos aos. Em razo da alta afinidade com o enxofre o mangans forma o sulfeto de enxofre. Teores de mangans de at 1,5% melhoram a usinabilidade de aos com baixos teores de carbono em razo da boa formao do cavaco. Em aos com maiores teores de carbono a usinabilidade influenciada negativamente devido ao maior desgaste da ferramenta.

Elementos de liga vs. usinabilidadeCromo, molibdnio e tungstnio Cromo e molibdnio melhoram a temperabilidade e influenciam a usinabilidade de aos cementados e aos endurecidos devido s alteraes na estrutura cristalina e tenacidade. Em aos com maiores teores de carbono ou com elementos de liga, esses elementos, assim como o tungstnio, formam carbonetos especiais e carbonetos mistos, que podem piorar a usinabilidade.

Elementos de liga vs. UsinabilidadeNquel Atravs da adio de nquel o ao tem a sua tenacidade aumentada. O nquel proporciona um aumento da tenacidade principalmente a baixas temperaturas. Isto leva geralmente a uma piora da usinabilidade, especialmente nos aos austenticos com nquel (com grandes teores de nquel).

Elementos de liga vs. UsinabilidadeSilcio O silcio aumenta a resistncia da ferrita nos aos. Com o oxignio e na ausncia de elementos desoxidantes, como por exemplo alumnio, forma incluses duras de xido de silcio (silicato). Deste fato pode resultar um aumento do desgaste da ferramenta.

Elementos de liga vs. UsinabilidadeFsforo A adio de fsforo leva a segregaes no ao que, mesmo um tratamento trmico e deformao trmica posterior, causam uma fragilizao dos cristais mistos (fragilizao da ferrita). Disso resulta um cavaco arrancado e pequeno. Em teores de at 0,1% o fsforo atua positivamente sobre a usinabilidade. Maiores teores de fsforo levam a uma melhora da qualidade superficial, mas levam tambm a um maior desgaste da ferramenta.

Elementos de liga vs. UsinabilidadeTitnio, vandio Titnio e vandio em pequenas quantidades podem proporcionar um aumento considervel na resistncia devido pequena granulometria dos carbonetos e carbonitretos. Com isso, uma granulometria mais fina leva a piores propriedades de usinabilidade com relao s foras de usinagem e forma de cavaco.

Elementos de liga vs. UsinabilidadeEnxofre O enxofre possui uma pequena solubilidade no ferro dependendo dos elementos de liga do ao, forma diferentes sulfetos estveis. Sulfetos de ferro do tipo FeS so indesejveis, j que possuem um baixo ponto de fuso e se situam nos contornos de gro. Isto leva a uma indesejvel fragilidade a quente do ao. So desejveis os sulfetos de mangans que possuem uma temperatura de fuso relativamente maior. A ao positiva do sulfeto de mangans sobre a usinabilidade devida formao de cavacos favorvel (cavacos curtos e quebradios), melhora da qualidade superficial.

Elementos de liga vs. UsinabilidadeEnxofre Com o aumento das incluses o sulfeto de mangans tem uma influncia negativa sobre as propriedades mecnicas como tenacidade, alongamento, resistncia compresso e resistncia fadiga, especialmente quando a direo da solicitao est no sentido do fibramento mecnico do material. Com o aumento de alguns elementos de liga (por exemplo telrio e selnio) as propriedades de usinabilidade do sulfeto de mangans podem ser melhoradas na prtica.

Elementos de liga vs. UsinabilidadeChumbo O chumbo no solvel na matriz de ferro e ocorre na forma de incluses submicroscpicas. Em razo do baixo ponto de fuso forma-se uma camada protetora de chumbo entre a ferramenta e o material, e reduz-se o desgaste da ferramenta. As foras especficas de corte podem ter uma reduo de at 50% e os cavacos so curtos e quebradios.

Elementos de liga vs. UsinabilidadeIncluses no-metlicas Os elementos adicionados aos aos na desoxidao, como o alumnio, silcio, mangans ou clcio ligam-se ao oxignio livre na formao do ao. Os xidos de alumnio e de silcio no ao so incluses duras no-deformveis que pioram a usinabilidade do ao, especialmente quando os xidos ocorrem em grandes quantidades ou em formas lamelares. Atravs da desoxidao com clcio-silcio ou ferro-silcio, por exemplo, sob determinadas condies de usinagem pode-se formar camadas protetoras xidas e sulfurosas no gume da ferramenta.

Usinabilidade em dependncia do tratamento trmico Tratamento trmico Como tratamento trmico entende-se o processo no qual a pea ou uma rea da pea influenciada pelo ciclo temperatura-tempo e elementos adicionais fsicos e/ou qumicos para se atingir uma determinada estrutura e propriedades. Atravs de tratamentos trmicos a estrutura de um material com respeito quantidade, forma e distribuio das segregaes pode ser alterada, e com isso a resistncia mecnicas a usinabilidade podem ser influenciadas positivamente (formao de cavaco e desgaste de ferramenta).

Usinabilidade em dependncia do tratamento trmico Classe de tratamento trmico - Distribuio regular da estrutura em toda a sua seo que se encontra no equilbrio termodinmico (por exemplo estrutura recozida mole) ou no se encontra em equilbrio termodinmico (por exemplo perlita, bainita, martensita). - Distribuio da estrutura endurecida em uma pequena parcela da seo, com uma composio qumica constante (principalmente endurecimento superficial). - Distribuio irregular da estrutura, especialmente na superfcie da pea, em razo das alteraes da composio qumica (carbonetao, cementao etc.).

Usinabilidade em dependncia do tratamento trmico Normalizao A normalizao leva a uma estrutura fina regular na qual a usinabilidade depende do teor de carbono da estrutura analisada, que pode ser: - Ferrita (pequenos desgastes, m formao de cavaco) - Perlita (maior desgaste, melhor formao de cavaco)

Usinabilidade em dependncia do tratamento trmico Crescimento do gro Este leva formao de um reticulado de gros grandes fechado de ferrita, no qual a perlita est embutida em estruturas intermedirias. O desgaste da ferramenta na usinagem de uma estrutura tratada por crescimento de gro relativamente pequeno e a formao de cavaco relativamente boa. Pode-se obter timas qualidades superficiais. Melhora da usinabilidade, no entanto dentro de certos limites, pois existem restries quanto s propriedades de resistncia do material, bem como restries econmicas.

Usinabilidade em dependncia do tratamento trmico Recozimento O recozimento empregado para reduzir a resistncia deformao e dureza elevada de aos com estrutura perltica lamelar fina e estrutura perltica lamelar com cementita. Uma estrutura desse tipo mole e deformvel. Geralmente apresenta um efeito abrasivo relativamente pequeno sobre a ferramenta e a formao de cavaco piorada devido ao teor de ferrita na estrutura.

Usinabilidade em dependncia do tratamento trmico Tmpera e revenimento A estrutura de tmpera apresenta uma usinabilidade pssima. Essas estruturas exercem uma presso de contato muito grande sobre o gume da ferramenta e levam ao rpido cegamento do gume. A formao de cavaco pode ser considerada boa. Aos temperados e aos revenidos s podem ser usinados em velocidades de corte relativamente baixas e avanos pequenos. Dureza maior que 45 HRC so empregados o PCBN e as cermicas de corte como materiais de corte. Para o trabalho de acabamento so apropriados metais duros de gros finos.

Usinabilidade em dependncia do tratamento trmico Beneficiamento e revenimento A resistncia de um ao pode ser elevada atravs de um beneficiamento (endurecimento e revenimento posterior). No revenimento do material, a martensita e a elevada dureza do material podem ser reduzidos de forma bem determinada atravs de um aquecimento posterior tmpera. Para temperaturas baixas de revenimento, d-se uma precipitao do carbono de uma forma finamente distribuda. Estruturas revenidas podem ser usinadas cada vez mais facilmente, dependendo do teor de perda da estrutura martenstica.

Usinabilidade em dependncia do tratamento trmico Usinabilidade relativa aos baixo carbono128 Ao baixo carbono de corte fcil Esferoidizao 64 ndice de Usinabilidade I [%] Recozimento Normalizao 32 Temperado com revenimento subseqente 16 Temperado 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 (Ferrita-Perlita)

Teor de Carbono [%]

Usinabilidade de aos endurecidos Aos com durezas acima de 50 HRC hoje so usinados com processos de geometria definida: Torneamento; Fresament; Brochamento; Torno Brochamento; Ferramentas de Metal Duro de gro fino, Nitreto de Boro Cbico Policristalino e cermicas mistas.

Usinabilidade de aos endurecidos Na usinagem de materiais endurecidos, dependendo da espessura do cavaco, podem ocorrer duas formas: para grandes espessuras de cavacos (h > 0,02 mm) estes possuem forma de dente-de-serra e para espessuras pequenas (h < 0,02 mm) so caractersticos os cavacos contnuos.

Usinabilidade de aos endurecidos Processo de formao do cavaco espessuras (h>0,02 mm)Cavacos em forma de "dente de serra" Formao de cavaco Temperatura na zona de contato em funo da dureza do material

(t=0)

0

Medio termoeltrica atravs do mtodo de cinzelamento Vc

R Rasgo

1100 C 1000Temperatura na zona de contato Vc

V

sp

900 800 700 600 500

Metal duro P10 PCBN

Vc

V

sp

Cavaco contnuo

Cavaco cisalhado

10 20 30 40Material: 100 Cr6 (60-62 HRC) Profundidade de corte: h=0,05mm VcNovo Rasgo

50 HRC 70

Dureza do material Material: C105W2 Avano: f= 0,1mm Velocidade de corte: vc = 120m/min

Usinabilidade de aos endurecidos Processo de formao do cavaco espessuras (h