Escolhendo o Metal Certo para Usinagem CNC: Resistência, Durabilidade e Custo

Ao projetar componentes para usinagem CNC, frequentemente escolhe-se um material metálico. Para isso, deve-se considerar requisitos de resistência, resistência química, estabilidade térmica, custo e outros fatores. Com tantos materiais disponíveis, a escolha pode ser um pouco avassaladora. Primeiro, defina as características mais importantes da sua peça. Como ela funciona? A que ambiente será exposta? Como interage com outros componentes?

Após entender as características importantes, combine os seis fatores que você deve considerar antes de usinar metais duros ou moles apresentados neste artigo. Acredito que isso ajudará na escolha do material metálico adequado.

Propriedades Mecânicas dos Metais

Comecemos pelas propriedades mecânicas, medidas pelo desempenho do material quando diferentes forças são aplicadas.

As principais propriedades mecânicas a considerar são:

Dureza:

Materiais mais duros são mais resistentes a arranhões e amassados que materiais moles. Materiais duros são adequados para peças de desgaste, como buchas. Alguns materiais podem ser usinados e endurecidos depois. Lembre-se que, se o material endurecer, suas propriedades mudarão. Por exemplo, o endurecimento pode torná-lo mais frágil. A superfície da peça também pode ser endurecida com revestimento.

A imagem abaixo compara simplesmente a dureza de materiais metálicos comuns.

Densidade:

A densidade do alumínio é muito menor que a do aço carbono, tornando-o cerca de um terço do peso. Dependendo do grau, o alumínio pode ser mais forte que o aço quando comparado por peso (razão resistência/peso).

Resistência à Tração:

A tensão máxima que um material suporta antes da falha. Se você projeta um suporte que conecta dois componentes, considere como eles interagem. A resistência à tração representa a capacidade do material de resistir à fratura.

Amortecimento (metais duros tendem a ter menor capacidade de amortecimento).

Fragilidade:

Materiais altamente frágeis não esticam nem deformam antes de quebrar. Se suas peças precisam ser dobradas continuamente, materiais frágeis não são boa escolha.

Se alguma das propriedades acima for importante para seu projeto, recomendamos pesquisar para obter a classificação real de propriedades de cada material.

Características de Desgaste e Fadiga dos Metais

Geralmente, se você está usinando peças para ajuste e função de protótipo, não precisa se preocupar com desgaste do material. Se precisa garantir resistência ou que as peças suportem características ambientais como temperaturas extremas, sua escolha de materiais será muito importante. Vamos analisar as características de fadiga mais importantes.

Resistência à Fadiga e Tenacidade:

É a tensão que o material suporta dentro de certo número de ciclos. Essas mudanças foram amplamente estudadas para ajudar a selecionar materiais adequados aos requisitos de uso final. Segundo pesquisas, a fadiga metálica é o dano cumulativo permanente gradual de materiais e componentes sob tensão ou deformação cíclica em um ou vários locais, e o processo de trinca ou fratura completa repentina após certo número de ciclos. Aproximadamente 90% de todas as falhas metálicas ocorrem rapidamente e sem aviso, por isso geralmente usamos a média das razões para medir a resistência à fadiga. Ao selecionar materiais, se você sabe que suas peças suportarão múltiplos ciclos de tensão, recomendamos avaliar o nível de resistência à fadiga.

Temperatura de Trabalho de Peças Metálicas

A temperatura de operação do ambiente onde o componente funcionará é outro fator importante. O ponto de fusão do material CNC usado deve ser superior à temperatura de operação. Caso contrário, a estrutura da peça pode mudar. Além disso, deve-se garantir que o material usinado CNC suporte mudanças extremas de temperatura. Embora alguns materiais suportem essas variações, outros podem sofrer alterações estruturais após período de uso.

Existem muitos recursos para testes de ciclos ambientais. Na maioria dos casos, materiais são colocados em ambiente controlado e testados para altas e baixas temperaturas, alta e baixa umidade, ciclagem térmica e choque térmico.

• Metais resistentes a alta temperatura: titânio e aço inoxidável.
• Metais que suportam frio extremo e mantêm ductilidade em baixas temperaturas: cobre e alumínio.

Resistência ao creep é a capacidade do material de resistir ao "creep", a tendência de um material sólido deformar-se por longo período sob altos níveis de tensão. Importante notar que a resistência ao creep pode exceder o limite de tensão padrão do material porque leva mais tempo para ocorrer. Níquel, titânio e aço inoxidável têm a maior resistência ao creep entre os metais.

Resistência à Corrosão (Oxidação) dos Metais

Devido à reação química entre o metal e o ambiente, a corrosão metálica é degradação ou oxidação. Existem muitas causas de corrosão; vale notar que todos os metais corroem. Ferro puro corrói rapidamente, mas o aço inoxidável que combina ferro e outras ligas corrói muito lentamente. Se você se preocupa com corrosão, o aço inoxidável é excelente escolha.

Outra alternativa ao aço inoxidável é o alumínio anodizado. Este método ajuda a reduzir a corrosão e é um acabamento muito durável. Aço carbono niquelado pode ser mais custo-efetivo que o aço inoxidável.

Propriedades Térmicas dos Metais

Metais podem expandir, fundir e conduzir eletricidade. A propriedade térmica mais comum é a condutividade elétrica, que é a capacidade do material de conduzir calor. Materiais com alta condutividade térmica são melhores na transferência de calor. Se seus componentes são usados para aplicações de resfriamento, é melhor prestar mais atenção a materiais com alta condutividade térmica.

As propriedades térmicas de metais comuns estão listadas na tabela abaixo para referência.

Desempenho de Fabricação

Usinabilidade refere-se à facilidade com que um material pode ser modificado por corte (usinagem). Por exemplo, o alumínio é muito fácil de usinar e não desgasta ferramentas tão rapidamente quanto outros materiais. Portanto, o custo de usinagem do alumínio é "mais barato" comparado a materiais com menor usinabilidade.

Metais têm diferentes propriedades de material, que determinam as características de desempenho do produto final. Essas várias características são ótimas, mas devem ser equilibradas com custos de matéria-prima e usinagem. Por exemplo, se suas peças são designadas como aço inoxidável, você encontrará vários graus que diferem muito em custo e propriedades. Além disso, alguns aços inoxidáveis são mais difíceis de cortar que outros, o que significa que seu custo em máquinas CNC será ligeiramente maior.