Alcançando Precisão: Mantendo Estabilidade Dimensional na Usinagem de Alumínio

Publicado em 23 de outubro de 2020 | Por WayKen Rapid Manufacturing

Manter controle dimensional preciso para peças onde a precisão é um requisito central é sempre uma questão de interesse para prestadores de serviços de usinagem de metal. Isso levou a várias atividades de pesquisa sobre estabilidade dimensional. Os estudos incluem vários fenômenos como limites elásticos, micro-deformação, micro-fluência, os mecanismos que os causam, e uma variedade de métodos propostos para ajudar a melhorar o controle dimensional. Por estabilidade dimensional de um material, referimos à sua capacidade de manter sua forma original, tamanho e permanecer dentro de suas tolerâncias dimensionais previstas durante um período especificado sob um conjunto de condições ambientais.

Neste artigo, discutiremos a instabilidade dimensional em um dos metais mais usados, o alumínio, e apresentaremos maneiras de contrabalançar os dilemas encontrados na usinagem de alumínio.

Suportamos os mais recentes processos de usinagem e fresamento CNC de alumínio; se você tem problemas com usinagem de alumínio, gostaríamos de ajudar.

Por que Discutir Usinagem de Alumínio?

Como o metal mais abundante na crosta terrestre (8,1%), o alumínio é amplamente usado em quase todas as indústrias, incluindo aviação, automotiva e construção. A natureza única das ligas de alumínio e as diversas propriedades que oferecem para várias aplicações o tornam um metal verdadeiramente fenomenal. No entanto, suas diversas aplicações vêm a um custo: a usinagem de ligas de alumínio requer várias considerações de usinagem, ao contrário do aço.

O principal dilema são os valores consideravelmente mais altos dos coeficientes de expansão térmica das ligas de alumínio quando comparados a outros metais comumente usados. Vamos dar uma olhada nos valores comparativos dos coeficientes de expansão térmica na tabela abaixo.

Pela virtude desta tabela, podemos notar claramente os valores relativamente mais altos dos coeficientes de expansão térmica para o alumínio e suas ligas. Portanto, discutiremos as considerações vitais envolvidas na usinagem de alumínio à medida que o artigo avança.

Dilemas Enfrentados na Usinagem de Alumínio

A usinagem de ligas de alumínio enfrenta deformações maiores em múltiplas operações, incluindo usinagem de paredes finas e forjamento. Antes de prosseguir, é necessário entender a diferença entre mudanças dimensionais recuperáveis, deformação plástica (micro-deformação) e instabilidade dimensional.

• Mudanças dimensionais recuperáveis são independentes do tempo e previsíveis. Incluem deformação elástica, expansão térmica e deformação magnetostritiva.
• Deformação plástica refere-se a deformações plásticas irrecuperáveis que são dependentes do tempo e resultam de tensões aplicadas.
• Instabilidade dimensional refere-se a mudanças nas dimensões resultantes de tensões internas. Refere-se a instabilidades metalúrgicas, ex: mudanças de fase, precipitação. Esta forma de instabilidade ocorre na ausência de forças externas.

Dois mecanismos principais levam a instabilidades dimensionais em metais. O primeiro é instabilidade metalúrgica e o segundo é relaxamento de tensões residuais. Vamos discutir várias razões para a deformação de peças de alumínio. Estas incluem aspectos do material, forma das peças, condições durante a produção e desempenho do fluido de resfriamento.

• Deformações causadas por tensões internas no bruto
• Deformações causadas por forças de corte
• Deformações devido à dissipação de calor em operações de corte
• Deformações devido a forças de fixação durante operações de usinagem

É, portanto, criticamente importante controlar essas deformações para garantir usinagem de alta qualidade de ligas de alumínio. Por isso, classificaremos e discutiremos várias medidas na seção seguinte.

Passos para Reduzir Deformações na Usinagem de Alumínio

Com vasta experiência na indústria de usinagem, vamos guiá-lo pelos principais passos para reduzir deformações de usinagem especificamente para ligas de alumínio. Os passos compreendem aspectos tecnológicos, escolha de equipamentos CNC, configuração de parâmetros apropriados, seleção de ferramentas, métodos de fixação e habilidades necessárias do operador.

Redução de Tensões Internas na Peça Metálica

Como discutido anteriormente, a instabilidade dimensional depende majoritariamente de tensões internas e nenhuma força externa está envolvida. Para eliminar tensões internas, os métodos mais comuns para ligas de alumínio são tratamento por vibração e envelhecimento natural ou artificial da peça. Segundo o ASM Handbook, três métodos podem ser usados para aliviar tensões.

O primeiro envolve deformar plasticamente o material de forma controlada usando carga de compressão ou tração. Este método só é aplicável a forjamentos em matriz aberta. O segundo envolve tratamentos térmicos como tratamento sub-zero ou estabilização a frio, durante os quais o material é exposto a temperaturas cíclicas entre -73 a 100 graus Celsius. Isso ajuda a reduzir tensões internas em até 25%. O último método recomendado é têmpera ascendente (uphill quenching), onde o bruto é resfriado a -273 graus Celsius e então rapidamente aquecido por um fluxo de vapor quente.

Melhoria na Capacidade de Corte da Ferramenta

A escolha adequada de parâmetros de ferramenta impacta diretamente a qualidade da força de corte e quantidade de dissipação de calor. Portanto, vamos analisar primeiro os parâmetros geométricos importantes, seguidos pela escolha da estrutura de ferramenta apropriada.

Parâmetros Geométricos

1. Ferramentas para usinar ligas de alumínio devem ser devidamente afiadas. Isso permite maiores ângulos de ataque frontal e lateral. Ângulos de ataque maiores devem ser usados para ferramentas destinadas a acabamento. Além disso, ângulos de ataque maiores também são benéficos para usinagem de ligas de alumínio mais macias, pois ângulos maiores significam arestas de corte mais agudas. Ângulos de ataque menores são benéficos para desbaste ou corte profundo e altas taxas de avanço. Ângulos de ataque variam de 0 a 40 graus e nunca devem ser negativos.
2. A quantidade de ângulo de folga deve ser sempre grande, pois impacta diretamente o desgaste da superfície de folga traseira e a qualidade do acabamento superficial. O ângulo de folga depende da taxa de avanço e profundidade de corte. Se houver necessidade de corte bruto e altas taxas de avanço, o ângulo de folga deve ser menor. No entanto, em operações de usinagem CNC de precisão de alumínio, há necessidade de reduzir deformações elásticas e garantir menos fricção entre as superfícies da ferramenta e peça para obter alto acabamento. Para isso, a magnitude do ângulo de folga deve ser sempre a maior possível.
3. É necessário entender a importância do ângulo de folga lateral (clearance angle) para o funcionamento adequado da ferramenta. No caso de ângulo muito pequeno, o calcanhar (lateral) da ferramenta poderá roçar contra a peça e causar dissipação de calor. Por outro lado, um ângulo grande fará a ferramenta penetrar demais na peça e causar vibração. Portanto, a escolha do ângulo precisa ser ótima. Na maioria das aplicações, ângulos entre 6 a 10 graus são ótimos.
4. Por último, mas não menos importante nos parâmetros geométricos, vem o ângulo de hélice. Para garantir fresamento suave e reduzir a força de fresamento necessária, o ângulo de hélice deve ser o maior possível.

Melhoria nos Métodos de Fixação da Peça

Existem duas maneiras para melhor fixação de peças de alumínio. No caso de peças cilíndricas de parede fina, fixação com mandril de três garras auto-centrante causa deformações. Portanto, o método de compressão da face final é útil neste caso. A face final é comprimida com uma placa de cobertura e apertada com uma porca. Isso permite precisão de usinagem satisfatória.

O segundo método é aplicável para peças de placa de parede fina. Envolve o uso de ventosas para obter distribuição uniforme da força de fixação ao longo da placa fina. Um método adicional é usar meio líquido para evitar deformações por fixação. Por exemplo, ureia fundida com 3 a 6% de nitrato de potássio pode ser derramada sobre a peça. Álcool ou água podem enxaguar a peça final para garantir que o meio líquido seja completamente lavado.

Estrutura da Ferramenta

1. Redução no número de dentes da fresa é importante para usinagem de alumínio. Isso se deve ao alto grau de plasticidade do alumínio, o que consequentemente significa maior deformação durante operações de usinagem. Cavacos de alumínio têm elemento de aderência, fazendo-os interferir na produção de peças finas com tolerâncias desejadas. Espaçamento aumentado entre arestas de corte permite que cavacos maiores passem.
2. É vital manter a rugosidade da aresta de corte menor que 0,4 µm e processar a aresta com operações de retificação adequadas. Isso eliminará todas as rebarbas desnecessárias, o que finalmente reduzirá dissipação de calor e deformações de corte.
3. Substituição ou recondicionamento da ferramenta deve ser feito segundo padrões. Portanto, quando o valor de rugosidade superficial exceder 0,2 mm e quando valores de temperatura de corte excederem 100 graus Celsius, a ferramenta deve ser substituída ou reposta.

Dicas para o Operador de Usinagem

A importância do conjunto de habilidades de um operador não pode ser negligenciada. É por isso que prestadores de serviços de usinagem CNC de alumínio confiáveis podem fazer enorme diferença, apesar de usar os mesmos parâmetros de ferramenta e peça. Vamos ver o que um operador precisa considerar durante a usinagem CNC de ligas de alumínio:

1. Um operador qualificado deve ter amplo conhecimento sobre cálculo de taxas de avanço e velocidades. A faixa de taxas de avanço e velocidades é muito mais estreita para ligas de alumínio do que para outros materiais. Corte de alumínio requer altas velocidades de fuso, mas as taxas de avanço são subjetivas aos requisitos. Velocidades de fuso mais rápidas permitem brocas de diâmetro menor. Portanto, um operador qualificado deve ter experiência no uso de fórmulas apropriadas para taxas de avanço e velocidades de fuso adaptadas para usinagem de alumínio.
2. A usinagem de alumínio requer abordagem lenta e constante. A tentação de programar a máquina CNC com cortes mais profundos por passagem para maior produtividade pode ser contraproducente no caso do alumínio. Limpar cavacos pegajosos torna-se tarefa assustadora e também significa acabamento ruim devido a rebarbas. Um bom operador CNC sempre se moverá pacientemente para melhor resultado. Ele/ela realizará cálculos adequados para profundidades de corte ideais por passagem.
3. Atenção especial ao uso de fluido de corte é necessária por parte do operador. Além disso, pré-processamento e pós-processamento de peças são necessários e o operador deve ser paciente e cuidadoso para apontar quaisquer falhas menores nas peças acabadas para manter a credibilidade de um bom prestador de serviços de usinagem.

Conclusão

Esperamos que este guia abrangente, porém conciso, sobre usinagem de alumínio auxilie seu conhecimento técnico para que, da próxima vez que você tiver uma peça de alumínio usinada, possa discutir tecnicamente cada aspecto com seu prestador de serviços de usinagem de forma muito eficaz.