Entendendo Usinabilidade: Definição, Importância e Técnicas de Medição

O processo de fabricação de usinagem é um meio versátil e eficaz de cortar metal e plástico. Pode criar detalhes muito finos com tolerâncias apertadas, e é altamente econômico para protótipos e pequenos lotes.

No entanto, a usinagem não funciona igualmente bem para todos os materiais. Como o processo usa uma ferramenta de corte rotativa potente para remover seções do material, este deve ser macio o suficiente para permitir que a ferramenta o penetre — caso contrário, a própria ferramenta será danificada e a qualidade da peça sofrerá. Muito macio, porém, e o material se deformará de forma indesejável ao contato com a ferramenta, resultando em peças empenhadas e ineficazes.

A facilidade com que um metal pode ser cortado com uma ferramenta de corte é conhecida como usinabilidade. Mas como muitos fatores determinam a usinabilidade de um metal, a característica é difícil de quantificar. Este artigo aborda os fundamentos da usinabilidade: o que é, quais materiais são mais usináveis, como aumentá-la e como medi-la.

O que é usinabilidade?

Usinabilidade é uma medida da facilidade ou dificuldade com que um material pode ser cortado com uma ferramenta de corte. Um material que pode ser cortado usando potência mínima, sem causar deformação das áreas adjacentes, é mais usinável que outro que exige mais esforço e causa mais deformação.

Na prática, usar materiais com boa usinabilidade traz benefícios de curto e longo prazo. No curto prazo, leva a melhores peças com tolerâncias apertadas, deformação mínima e bom acabamento superficial. Também podem ser feitas mais rapidamente que peças de materiais difíceis de usinar. No longo prazo, leva a menor desgaste de ferramenta e maior vida útil da ferramenta, economizando dinheiro para oficinas.

Por que, então, usinadores não usam apenas os materiais mais usináveis? O problema é que a usinabilidade muitas vezes vem à custa do desempenho do material, e vice-versa. Materiais fortes são tipicamente mais difíceis de cortar que materiais fracos, então engenheiros frequentemente precisam fazer um trade-off entre usinabilidade e desempenho.

A usinabilidade de um material depende tanto das propriedades físicas científicas do grupo do material (de quais elementos consiste) quanto da condição do material de trabalho específico (como foi feito). As propriedades físicas são fixas, mas a condição de uma peça pode variar muito.

Propriedades físicas incluem:

• Endurecimento por trabalho
• Expansão térmica
• Condutividade térmica
• Módulo de elasticidade

Fatores de condição incluem:

• Microestrutura
• Tamanho de grão
• Tratamento térmico
• Dureza
• Resistência à tração

Materiais usináveis

Alumínio

Um dos materiais mais adequados para usinagem, o alumínio é relativamente barato e fabricado em diversas ligas comuns. O 6061 é o grau padrão para usinagem, embora ligas menos comuns como alumínio 2011 e 8280 sejam ainda mais usináveis, produzindo cavacos muito pequenos e excelente acabamento superficial.

Aço

Aços são tipicamente mais difíceis de usinar que ligas de alumínio, mas graus com teor moderado de carbono como 303 aço inoxidável são os mais usináveis (muito carbono torna o aço muito duro; pouco e ele se torna gomoso). Usar chumbo como aditivo torna o aço mais usinável, melhorando a quebra de cavaco. Enxofre também aumenta a usinabilidade do aço.

Outros metais

Outros metais usináveis incluem várias ligas de latão, que são bastante macias mas têm boa resistência à tração. Similarmente, cobre tem boa usinabilidade junto com características como condutividade elétrica.

Plásticos

Termoplásticos podem ser difíceis de usinar, pois o calor gerado pela ferramenta pode fazer o plástico derreter e grudar na ferramenta. Com isso em mente, alguns dos melhores plásticos para usinagem incluem ABS, nylon, acrílico e Delrin.

Melhorando a usinabilidade dos materiais

Embora metais tenham propriedades físicas fixas, a condição de uma peça pode ser alterada para torná-la mais usinável. Aditivos também podem ser introduzidos em ligas para melhorar usinabilidade.

• Aditivos: Uma forma de melhorar a usinabilidade é incorporar elementos de outros materiais que a tornem mais propícia ao corte. Ao usinar aço, por exemplo, adição de chumbo e enxofre torna a peça mais fácil de cortar.
• Tratamento térmico: Metais frequentemente passam por aquecimento e resfriamento para alterar propriedades, e o tratamento térmico pode reduzir a dureza de um metal para torná-lo mais fácil de usinar. O recozimento de ligas à base de níquel, por exemplo, pode melhorar a usinabilidade.
• Fatores externos: A usinagem pode ser facilitada sem alterar o material da peça. Por exemplo, ajustar material da ferramenta, velocidade de corte, ângulo de corte, condições de operação e outros parâmetros pode facilitar o corte de materiais difíceis.

Como a usinabilidade é medida

Como tantos fatores diferentes afetam a usinabilidade de um material, ela pode ser considerada um conceito vago, difícil de quantificar.

No entanto, engenheiros e cientistas de materiais tentaram medir a usinabilidade via métricas como consumo de potência (quantos energia é necessária para cortar o material), vida útil da ferramenta (quão rápido a ferramenta se desgasta ao cortar o material) e acabamento superficial (lisura resultante do material cortado).

• Consumo de potência: A usinabilidade pode ser avaliada pelas forças necessárias para cortar o material, medidas com métricas de energia padrão.
• Vida útil da ferramenta: A usinabilidade pode ser avaliada cronometrando quanto tempo uma ferramenta dura ao cortar um dado material.
• Acabamento superficial: A usinabilidade pode ser avaliada observando o grau de aresta de edificação produzida durante a usinagem; materiais altamente usináveis não produzem aresta de edificação.

Infelizmente, nenhum desses métodos é totalmente confiável, pois fatores independentes podem afetar consumo de potência, desgaste da ferramenta e acabamento superficial.

O Instituto Americano de Ferro e Aço (AISI) também criou um sistema de classificação de usinabilidade baseado em testes de torneamento. Essas classificações, expressas em porcentagem, são relativas à usinabilidade do aço B1112 de 160 Brinell (escolhido arbitrariamente), que tem classificação de 100%. Metais com usinabilidade superior ao B1112 têm classificação acima de 100%, enquanto os piores têm classificação abaixo de 100%.