Usinagem de Alumínio Explicada: Ferramentas, Técnicas e Operações

O que é Usinagem de Alumínio?

Usinagem é um processo de manufatura subtrativo, o que significa que remove material de uma peça para criar a peça ou produto desejado. É altamente versátil, acomodando uma ampla gama de substratos metálicos e não metálicos. Um dos materiais mais comuns usados em operações de usinagem é o alumínio.

Devido ao seu peso de material mais leve, menor dureza do material e maior conformabilidade, o alumínio é ideal para uso em usinagem e outras operações de manufatura. Abaixo destacamos algumas das outras vantagens de usar alumínio para aplicações de usinagem, discutimos como o alumínio é usado em vários processos de usinagem e descrevemos algumas das peças usinadas típicas feitas de alumínio.

Visão Geral dos Processos de Usinagem de Alumínio

"Usinagem" é um termo guarda-chuva que abrange uma gama de processos de manufatura subtrativos, por exemplo, fresamento, torneamento, furação. Existem também vários tipos de tecnologias e técnicas de usinagem, por exemplo, usinagem CNC, usinagem suíça de parafusos, fresamento vertical e horizontal, e usinagem por descarga elétrica (EDM). Abaixo descrevemos como o alumínio é manipulado em cada um destes métodos de usinagem.

• Usinagem de controle numérico computadorizado (CNC): O processo de usinagem CNC emprega o uso de software de computador e equipamentos compatíveis com CNC para guiar o movimento e movimento das ferramentas de máquina através da superfície da peça. Permite a produção de peças e produtos de alumínio CNC altamente precisos e exatos.
• Usinagem suíça de parafusos: A usinagem suíça de parafusos é ideal para a produção de componentes cilíndricos pequenos — mas altamente precisos — feitos de alumínio, como peças eletrônicas ou médicas.
• Fresamento vertical/horizontal: Fresamento é um processo de usinagem que utiliza ferramentas de corte rotativas para remover material em excesso da peça. Equipamentos de fresamento podem ter configuração vertical ou horizontal; unidades verticais são ideais para pequenas quantidades de peças de alumínio simples, enquanto unidades horizontais são mais apropriadas para grandes quantidades de peças de alumínio complexas.
• Usinagem por descarga elétrica (EDM): EDM utiliza a descarga elétrica gerada entre dois eletrodos para remover material da peça. Embora seja geralmente usado para processar materiais mais duros e difíceis de usinar, pode ser usado em qualquer material condutor elétrico, incluindo alumínio.

Por Que o Alumínio Pode Ser Desafiador?

Se você está fazendo um suporte para o Fazendeiro José, realmente não vai importar quão eficientemente você remove material. Mas se você está fazendo 10.000 suportes por semana para o José Apressado, você precisa fazer um trabalho adequado.

O principal desafio com a usinagem eficaz de alumínio é simplesmente obter as taxas máximas de remoção de material sem estourar algo.

O alumínio pode derreter e fundir à ferramenta se houver muito calor. Então, mesmo que corte como manteiga, não vai durar muito se o alumínio grudar na ferramenta e você acabar fazendo soldagem por fricção em vez de usinagem.

Além de manter o atrito ao mínimo, a vibração (chatter) pode ser uma besta quando você está forçando a máquina. Isso é especialmente problemático quando você está tentando usinar bolsões (pockets) com aparência limpa. Ok, chega de reclamações. Vamos entrar em como você pode arrasar na oficina.

Ferramentas de Corte para Alumínio

Sob nenhuma circunstância você deve usar uma fresa de uso geral para alumínio. Tecnicamente funcionará, mas o alumínio é totalmente diferente do aço.

Aqui estão alguns aspectos de seleção de ferramenta que ajudarão você a obter o máximo da sua máquina.

Material da Ferramenta de Corte

Metal Duro (Carbide): Espero que isso seja óbvio para você. Mesmo em aplicações não de desempenho, o metal duro excederá o aço rápido em valor tanto para custos da ferramenta sobre a vida útil quanto em acabamento superficial.

Mesmo assim, existem algumas coisas boas para saber sobre metal duro que ajudarão você a combinar a ferramenta perfeita para o trabalho. Essencialmente, só precisamos entender o que queremos de uma ferramenta. O alumínio é de corte macio, o que significa que a ferramenta não sofre forças de impacto duras enquanto corta.

O que é crítico é manter uma aresta afiada como navalha. Por esta razão, escolheríamos dureza sobre tenacidade para características de material. Existem duas coisas principais que afetam esta propriedade: tamanho de grão do metal duro e proporção de ligante.

Para tamanho de grão, grão maior produz um material mais duro, enquanto grão menor produz um material mais resistente a impacto, tenaz. Para alumínio, queremos manter aquela nitidez da aresta, então queremos um tamanho de grão pequeno para máxima retenção de aresta.

O outro fator é a proporção de ligante. Para ferramentas de corte de metal duro, o ligante é cobalto. Isso pode ter de 2% a 20% de teor de cobalto. Como o cobalto é mais macio que os grãos de metal duro, mais cobalto significa ferramenta tenaz, menos cobalto significa ferramenta dura. Então, basicamente estamos procurando uma fresa de metal duro que tenha tamanho de grão grande e baixo teor de cobalto.

Avanços e Velocidades

Muitos caras simplesmente vão com 1000 SFM para calcular seu RPM. Se você faz isso, realmente não vai mais rápido que todo mundo.

Para ser honesto, isso geralmente é o que é recomendado para a maioria das fresas. 1000-1500 SFM é uma velocidade totalmente normal para rodar seu fuso. Com testes harmônicos, porém, você pode atingir 3x esta velocidade. Mais sobre isso depois.

A taxa de avanço é onde muitos caras recuam. Se você está avançando uma fresa de 1/2" a apenas 0,003" por dente, está apenas perdendo tempo. Para produção, você quer empurrar pelo menos 1% do diâmetro da fresa por dente. Isso significa que uma fresa de 1/2" precisa ser avançada pelo menos 0,005" por dente. Com uma configuração estável e ferramenta curta, você pode até dobrar isso.

A única exceção a isso é quando você está trabalhando com ferramentas pequenas, como 1/8" ou menos. A evacuação de cavacos pode se tornar um problema, o que significa que você precisará desacelerar para cavacos mais finos.

Operações Comuns para Usinagem de Alumínio

Aqui está uma lista das coisas comuns que você vai fazer com alumínio, junto com algumas dicas para ajudar você.

1. Planificação (Facing)

Se você vai usar uma fresa de face (shell mill), definitivamente vá com um ângulo de ataque super agressivo e pastilhas polidas. Seu acabamento será incrível e você poderá realmente empurrar o RPM.

2. Fresamento de Bolsões (Pocketing)

Isso é algo que muitos caras não fazem direito. Se você der passo de metade do diâmetro da fresa e metade para baixo, estará cometendo um erro por duas razões:

A fresa pode aguentar mais. Vá quase largura total. Meu padrão é 95% da parte plana da fresa. A razão para isso é que a fresa estará enterrada nos cantos de qualquer forma. Isso significa que você terá que desacelerar o avanço para que a ferramenta não exploda nos cantos. Se você for 100% completo, pode obter wafers de papel entre os caminhos da ferramenta devido à deflexão da ferramenta e do material.

Passos de 50% são horríveis para harmônicos quando você está desbastando a uma taxa respeitável. O impacto da ferramenta entrando na peça está no pior ponto possível, batendo a cada dente. Mesmo movendo a ferramenta para 65% de passo resultará em redução perceptível de vibração.

Outra dica é usar um diâmetro de fresa ligeiramente menor que o raio interno do bolsão. Se você está usando uma fresa de 1/2" para cortar bolsões de raio 1/4", terá a tendência de arrancar os cantos com vibração conforme a ferramenta muda de direção. Em altas velocidades, as ferramentas não mudam de direção instantaneamente, o que significa que a ferramenta descarrega a pressão de corte. É isso que faz aqueles ruídos de chiado.

Geralmente peço se posso redimensionar aqueles raios para 0,265" para cantos limpos. Isso reduz o contato que a ferramenta tem com a geometria da peça. A máquina também consegue lidar com aquela curva arredondada em velocidades mais altas. Pense em um carro em uma pista de corrida. Se for uma curva fechada, o carro desacelera. Se houver um raio maior, a máquina não precisa desacelerar.

Isso praticamente eliminará aquele chiado nos cantos que deixa suas peças feias.

3. Fresamento de Fendas (Slotting)

Para fendas extremamente profundas, existem duas opções que funcionam bem para mim: ou use fresamento trocoidal para reduzir deflexão da fresa e vibração, ou use uma fresa de canal curto (stub flute).

Pessoalmente, prefiro canais curtos, já que a ferramenta é significativamente mais forte, e você não obtém movimento desperdiçado enquanto a ferramenta vai e volta. Fresamento de fenda profunda é uma daquelas aplicações onde muitas vezes vale a pena usar uma ferramenta especializada.

Para fendas rasas (4xD ou menos), nenhuma consideração especial precisa ser feita. Só mandar ver.

4. Furação (Drilling)

Use. Brocas. Afiadas. Brocas de metal duro nem sempre são a resposta; não há realmente sentido em rodar uma broca de metal duro cara se você não tem o RPM do fuso ou volume de produção para justificar.

De modo geral, apenas use uma broca de ponta dividida de 135 graus e você ficará bem. Se houver uma alma na ponta da broca, você está colocando muito calor desnecessário no corte.

5. Rosqueamento (Tapping)

Machos de uso geral tecnicamente funcionam, mas machos especificamente para alumínio são significativamente mais confiáveis. Eles têm um ângulo de ataque muito mais agressivo, o que significa cortes mais limpos e menos calor.

Também, não seja medroso com RPM. Se você nunca passa de 200 RPM nas suas máquinas, está apenas perdendo tempo. Claro, algumas máquinas são apenas velhas e cansadas, e há muito folga para cortar mais rápido. Realmente, porém, você não vai ser competitivo nessas máquinas de qualquer maneira. O ponto é, rosquear alumínio é fácil, não perca tempo com isso.

Como Obter Acabamentos Superficiais Incríveis em Alumínio

RPM alto. Não é muito segredo. Acelere.

Usar uma ferramenta de acabamento que seja afiada como navalha, hélice alta e com ângulos de ataque muito agressivos também ajudará você a obter um acabamento superficial super brilhante.

Uma coisa que vale a pena mencionar é que você não quer perder tempo tornando a peça mais bonita do que precisa ser. Às vezes você só vai querer deixar o cliente feliz e impressioná-lo, mas lembre-se que há diferença entre brilhante e um Ra alto.

Realmente vale a pena fazer seus cálculos de acabamento superficial para determinar a taxa de avanço máxima para seus cortes de acabamento. Geralmente faço a matemática, e depois reduzo cerca de 10% disso para ficar seguro. Se você ficar na borda, vai errar metade do tempo.

Vantagens do Uso de Alumínio em Operações de Usinagem

Além de sua excelente usinabilidade, o alumínio demonstra muitas características que o tornam adequado para uso em operações de usinagem, tais como:

• Alta relação resistência-peso: O alumínio é forte e leve, qualidades críticas para peças usinadas usadas em aplicações de alto desempenho, como as encontradas nas indústrias aeroespacial e automotiva.
• Resistência à corrosão: O alumínio está disponível em vários graus, que variam no grau de resistência à corrosão demonstrado. Em operações de usinagem, um dos graus mais comumente empregados — 6061 — oferece excelente resistência à corrosão.
• Condutividade elétrica: O alumínio exibe maior condutividade elétrica (cerca de 37,7 milhões de siemens/metro à temperatura ambiente) que outros metais comumente usinados, como aço carbono (7 milhões de siemens/metro) e aço inoxidável (1,5 milhões de siemens/metro). Esta qualidade torna peças de alumínio usinadas adequadas para uso como componentes elétricos e eletrônicos.
• Potencial de acabamento superficial e anodização: O alumínio acomoda prontamente vários processos de tratamento e acabamento de superfície, como pintura, tingimento e anodização. Esta qualidade permite que fabricantes melhorem as propriedades funcionais e estéticas da peça ou produto de alumínio usinado.
• Reciclabilidade: O alumínio é altamente reciclável, permitindo que fabricantes reutilizem material de sucata produzido durante operações de usinagem e materiais de construção de produtos acabados descartados no final de suas vidas úteis.
• Acessibilidade: Comparado a outros materiais de usinagem (por exemplo, latão, titânio e PEEK), o alumínio é mais barato sem sacrificar significativamente o desempenho. Além disso, sua usinabilidade resulta em custos de produção mais baixos, enquanto seu peso mais leve resulta em custos de transporte mais baixos.

Como indicado acima, o processo de usinagem acomoda uma variedade de materiais, variando de metal e plástico a papel e madeira. Além do alumínio, alguns dos materiais regularmente empregados em operações de usinagem incluem outros metais (por exemplo, aço e aço inoxidável) e termoplásticos. Comparado a estes materiais, o alumínio oferece várias vantagens:

Comparado a aço e aço inoxidável, o alumínio demonstra um peso de material muito mais leve e melhor usinabilidade.

Peças Usinadas de Alumínio Típicas

Profissionais da indústria empregam alumínio em operações de usinagem para produzir uma variedade de peças e produtos. Estes componentes encontram aplicação em uma ampla gama de indústrias, incluindo:

• Automotiva
• Aeroespacial
• Comunicações
• Produtos elétricos e eletrônicos
• Iluminação
• Médica

Exemplos típicos de produtos incluem pinos guia, carcaças EMI, painéis frontais, luminárias, dispositivos médicos e eixos estriados.