Compreendendo a usinabilidade:medições e fatores-chave

Comecemos com a pergunta principal a ser respondida:o que é usinabilidade? Em palavras simples, usinabilidade é a facilidade com que um material pode ser cortado (usinado) para atingir a qualidade desejada da peça. A qualidade da peça aqui se refere a características como precisão dimensional, tolerâncias e acabamento superficial.

Materiais com alta usinabilidade geralmente levam menos tempo e energia para usinar, causam menos desgaste da ferramenta e têm melhor qualidade superficial. Compreensivelmente, do ponto de vista da produção, materiais com alta usinabilidade são sempre preferíveis. Porém, isso nem sempre corresponde à perspectiva do projetista, que busca alta resistência, desempenho e estabilidade térmica, o que nem sempre acontece com materiais fáceis de usinar.

Isso cria uma troca interessante entre diferentes requisitos de engenharia, sobre a qual falaremos mais neste artigo.

Fatores que afetam a usinabilidade

Vários fatores entram em jogo quando se discute a usinabilidade de materiais. Eles vêm das propriedades principais do material, dos tratamentos pós-produção e das condições de corte.

1. Propriedades dos materiais

O conjunto mais importante de características que afetam a usinabilidade são as propriedades do material. Com cada material tendo um conjunto único de propriedades, os engenheiros devem compreender o impacto que cada propriedade tem na usinabilidade para poder tomar decisões informadas.

Dureza 1,1

A dureza é um fator chave na determinação da usinabilidade dos materiais, pois define o quão difícil é “cortar” a superfície. Como a ferramenta de usinagem interage principalmente com a superfície da peça, a dureza é uma característica importante da usinabilidade.

Geralmente, materiais mais duros como o Inconel requerem mais potência para cortar, pois a ferramenta precisa exercer uma força maior. Além disso, as ferramentas desgastam-se mais rapidamente ao usinar materiais duros. Resumindo, alta dureza significa baixa usinabilidade.

1.2 Resistência

A tenacidade é outro parâmetro crítico na determinação da usinabilidade. Materiais com alta tenacidade, como aços com alto teor de carbono, são bons em absorver forças de corte e resistir à deformação, exigindo forças de corte mais altas e ferramentas mais duráveis.

Além disso, materiais resistentes produzem cavacos longos e fibrosos devido à sua alta ductilidade. Embora isso seja bom para manter uma ação de corte suave e uma transferência de calor eficaz, cavacos longos frequentemente ficam presos na ferramenta, causando atrasos no corte e desgaste superficial da peça de trabalho.

1.3 Condutividade Térmica

Os processos de usinagem geram calor devido ao cisalhamento do material. Portanto, o gerenciamento térmico na interface de corte é muito importante para processos de corte eficazes. Em termos de transferência de calor, isto depende fortemente da condutividade térmica do material.

Materiais difíceis de cortar geralmente têm baixa condutividade térmica, o que significa que a energia térmica gerada na interface de corte não se dissipa rapidamente. Isso causa vários efeitos negativos, como amolecimento térmico da peça e da ferramenta, menor vida útil da ferramenta e precisão dimensional. Um exemplo clássico desse material é o titânio, que apresenta todos esses problemas.

A baixa condutividade térmica também impede o uso de altas velocidades de corte e avanços, pois o calor gerado não é transferido de forma eficaz.

2. Condições de corte

A usinabilidade tem tudo a ver com como um material se comporta quando cortado. Portanto, além das propriedades do material, as condições de corte também afetam a usinabilidade dos materiais.

2.1 Parâmetros de corte

Os principais parâmetros de corte na usinagem são velocidade de corte, avanço e profundidade de corte. Otimizar todos os três é benéfico do ponto de vista da produção, pois resulta em uma maior taxa de remoção de material. No entanto, isso nem sempre é possível.

Velocidades de corte mais altas geralmente tornam os materiais menos usináveis devido à geração excessiva de calor e ao atrito, causando desgaste da ferramenta. No entanto, melhora o acabamento superficial na maioria dos casos. Ao mesmo tempo, aumentar o avanço de corte resulta em maiores cargas de cavacos e forças de corte. Isto pode danificar a ferramenta e causar vibrações excessivas.

A profundidade de corte também está positivamente ligada às forças de corte, ao consumo de energia e à geração de calor. Estes são impactos na ferramenta e na peça de trabalho. Além disso, uma maior profundidade de corte também impacta negativamente a integridade da superfície, criando tensões mecânicas e térmicas.

Além disso, a profundidade de corte também contribui principalmente para a estabilidade dinâmica dos processos de corte. Aumentá-lo além de um certo limite pode causar vibrações, que são prejudiciais à ferramenta e à máquina.

2.2 Ferramenta de corte

As fresas CNC possuem características geométricas complexas que impactam significativamente a usinabilidade. O exemplo mais evidente é o do ângulo de saída (ângulo da aresta de corte). Um ângulo de saída negativo reduz as cargas de corte e melhora a formação de cavacos, que são sinais de alta usinabilidade. No entanto, também torna a ferramenta mais fraca.

Da mesma forma, outro fator é o ângulo de folga, que impacta os indicadores de usinabilidade, como desgaste da ferramenta e dissipação de calor.

2.3 Resfriamento e Lubrificação

Os maquinistas costumam aplicar refrigerantes e lubrificantes na interface ferramenta-peça para melhorar a usinabilidade dos materiais. Eles melhoram a remoção de calor e as propriedades de fricção do material, levando a uma ação de corte mais suave, melhor acabamento superficial e maior vida útil da ferramenta.

2.4 Condição da máquina-ferramenta

A condição da máquina CNC é outro fator que determina a usinabilidade. Máquinas mais antigas geralmente apresentam folga em seus acionamentos de eixo e vibram mais sob cargas de corte dinâmicas. Isso dificulta a usinagem, tornando a máquina incapaz de manusear materiais difíceis de cortar.

Qual é a classificação de usinabilidade?

Com uma grande variedade de materiais usináveis na caixa de ferramentas de um engenheiro, pode ser complicado compará-los em termos de usinabilidade. Um dos métodos populares para avaliar a usinabilidade de materiais é através de sua classificação de usinabilidade.

Uma característica padrão das classificações de usinabilidade é ter um material de referência para comparação conveniente. Por exemplo, um dos materiais padrão é o latão C36000 com uma classificação de usinabilidade de 100%. À medida que os materiais ficam mais difíceis de cortar, sua respectiva classificação diminui. Por exemplo, o AISI 1018 tem uma classificação de 70%, indicando uma usinabilidade média.

Por que um gráfico de usinabilidade é importante?

Geralmente, as classificações de usinabilidade são documentadas em um gráfico de usinabilidade, encontrado em todas as oficinas CNC. Com um gráfico de usinabilidade fácil de navegar em mãos, é rápido e fácil comparar a usinabilidade em todo o espectro de materiais de engenharia.

O principal objetivo deste sistema de classificação é apoiar decisões de engenharia. Para um engenheiro de projeto, oferece ajuda na compreensão de quaisquer complicações de produção para um determinado material que está escolhendo. Isso é útil em situações práticas.

Por exemplo, se escolherem um material difícil de cortar, podem indicá-lo no desenho de engenharia através de uma nota especial ou incluir especificamente um requisito de acabamento superficial para garantir que o maquinista compreende totalmente a intenção do projeto. Para um maquinista, ajuda na seleção de ferramentas, parâmetros de corte e condições de lubrificação/resfriamento.

Diferentes métodos para melhorar a usinabilidade

As oficinas mecânicas adotam diversas estratégias para tornar os materiais mais usináveis. Isso traz vários benefícios, como usinagem mais produtiva, custos mais baixos e maior qualidade geral dos produtos.

Tratamento térmico

A dependência das propriedades do material na usinabilidade foi abordada detalhadamente nas seções anteriores. Portanto, quando falamos em melhorar a usinabilidade, alterar as propriedades do material é a ideia principal na lista de ações.

O tratamento térmico é um método eficaz para melhorar a usinabilidade dos materiais. Por exemplo, materiais CNC comuns, como aço e alumínio, são frequentemente recozidos para reduzir sua dureza, refinar a estrutura dos grãos e aliviar tensões internas.

Aditivos de materiais

O uso de aditivos materiais é outro método para melhorar a usinabilidade. O tema central é incorporar aditivos de material na estrutura reticular do material base para tornar suas propriedades mecânicas fáceis de usinar.

Por exemplo, a adição de zinco para formar ligas de cobre como o latão aumenta drasticamente a usinabilidade do cobre puro, permitindo menores forças, atrito e melhor formação de cavacos. Na verdade, muitos padrões de classificação de usinabilidade usam a liga de cobre contendo zinco C36000 como material de referência devido à sua alta usinabilidade.

Refrigerante/Lubrificante

A otimização das condições de corte, especialmente a aplicação de refrigerantes/lubrificantes, pode melhorar notavelmente a usinabilidade. A utilização de tais agentes altera as propriedades tribológicas na interface ferramenta-peça, tornando o material da peça mais fácil de cortar.

Os lubrificantes diminuem o atrito e a consequente geração de calor, diminuindo fatores como desgaste da ferramenta e tensões induzidas pelo calor. Além disso, também permite que os maquinistas utilizem parâmetros de corte mais agressivos, levando a uma maior taxa de remoção de material.

Os refrigerantes melhoram as propriedades de dissipação de calor na interface de corte. Com mais calor sendo transferido de forma eficiente para fora da zona de corte, há menores tensões térmicas, imprecisões dimensionais e quebras de ferramentas.

Otimização dos parâmetros de corte

Finalmente, uma seleção informada dos parâmetros de corte também pode influenciar positivamente a usinabilidade dos materiais. Na maioria das vezes, a equação é simples. Velocidades, avanços e profundidades de corte mais elevados diminuem a usinabilidade e vice-versa.

Existem, no entanto, também alguns casos contra-intuitivos, que exigem que os fabricantes tenham um forte conhecimento dos princípios básicos do corte de metal. O caso da borda postiça, por exemplo. Se os maquinistas observarem uma alta taxa de adesão do material em suas pastilhas de ferramentas, o que é ruim para a vida útil da ferramenta, aumentar um pouco a velocidade de corte ou o avanço pode ser benéfico em termos de menos aresta postiça e desgaste da ferramenta.

Como a usinabilidade é medida?

Embora não exista uma forma padrão de calcular a usinabilidade de um material, existem alguns sistemas geralmente aceitos. A maioria deles depende de dois componentes principais:ter um conjunto de critérios para estimar a usinabilidade dos materiais e um material de referência para classificar outros materiais por conveniência em comparação.

Vida útil da ferramenta de corte

A vida útil da ferramenta de corte é uma das medidas mais práticas de usinabilidade, pois tem impacto direto na produtividade, qualidade e finanças. O princípio é avaliar a usinabilidade dos materiais em termos de quanto tempo uma ferramenta de corte é utilizável em um material antes de precisar ser substituída ou reafiada. Isto, é claro, considerando todos os outros fatores, como a constante da geometria da ferramenta.

Compreensivelmente, materiais com alta usinabilidade não causam alto desgaste da ferramenta e danos térmicos, portanto a vida útil da ferramenta é longa. Por outro lado, materiais difíceis de cortar, como o aço, desgastam rapidamente a ferramenta.

Um dos métodos para medir isso matematicamente é usar a equação de vida útil da ferramenta de Taylor:

Aqui, Vc e T correspondem à velocidade de corte e à vida útil da ferramenta, respectivamente. Os demais parâmetros referem-se às condições de corte e ao material da ferramenta, que permanecem fixos para análises de usinabilidade. Materiais que permitem velocidades de corte mais altas, mantendo uma vida útil semelhante à do material de referência, são considerados mais usináveis.

Acabamento de superfície

O acabamento superficial é outro parâmetro comum para medir a usinabilidade. É um parâmetro viável, pois qualquer alteração na usinabilidade é, na maioria das vezes, refletida diretamente em uma alteração na qualidade da superfície. Por exemplo, materiais duros têm baixa usinabilidade e um acabamento superficial áspero devido ao lascamento e ao atrito.

Além disso, medir o acabamento da superfície em si também é bastante conveniente. Principalmente, é visivelmente observável para os maquinistas. Além disso, os engenheiros também podem utilizar testadores de superfície fáceis de usar para mapear rapidamente o acabamento superficial de uma superfície usinada.

Consumo de energia

A usinagem consome energia devido às forças de corte. Materiais difíceis de cortar requerem mais força para cortar. Portanto, eles consomem mais energia. Para materiais facilmente cortáveis, ocorre o oposto.

Devido a esta relação muito direta entre usinabilidade e consumo de energia, é uma medida popular da usinabilidade de materiais.

Classificação de usinabilidade

A classificação de usinabilidade é outra forma de medir a usinabilidade de materiais. Embora não seja tão científico quanto os outros métodos, é um método muito prático e amplamente utilizado em ambientes de oficina mecânica.

Materiais CNC comuns e sua usinabilidade

Todo o conjunto de materiais de usinagem CNC é grande demais para ser utilizado. Portanto, nesta seção, estamos compartilhando uma amostra representativa de materiais CNC e suas classificações relativas de usinabilidade para fornecer uma visão geral da usinabilidade dos materiais.
Categoria de materialMaterialMaquinabilidade (%)MetaisLatão de corte livre (C36000)100Alumínio (6061-T6)90-95Aço inoxidável austenítico (AISI 304)30-40Titânio (Grau 5, Ti-6Al-4V)20-25PlásticosPolietileno (HDPE)90Policarbonato80Cloreto de polivinila (PVC)70CompósitosPolímero Reforçado com Fibra de Carbono40-50Polímero Reforçado com Fibra de Vidro30-40CerâmicaAlumina (Óxido de Alumínio)30Zircônia (Dióxido de Zircônio)15Materiais OrgânicosMadeira macia (por exemplo, pinho)90Madeira dura (por exemplo, carvalho)70