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Prof. Wanderley do Prado

-A usinabilidade pode ser definida como uma grandeza tecnológica que expressa,

por meio de um valor numérico comparativo ( índice de usinabilidade), um

conjunto de propriedades de usinagem de um material em relação a outro tomado

como padrão. Ou seja, expressa o grau de dificuldade para usinar um material.

-Pode-se ter usinabilidade boa ou ruim, em função dos critérios de avaliação

adotados.

Aula 9- Usinabilidade dos Materiais


-A usinabilidade depende do estado metalúrgico da peça, da dureza,das

propriedades mecânicas do material,de sua composição química, das operações

anteriores efetuadas sobre o material (a frio ou a quente) e do eventual

encruamento.

-Encruamento = Quando metais são deformados plasticamente, eles aumentam

sua resistência.Este é o fenômeno do encruamento, que depende da taxa de

deformação e da “habilidade” do material em encruar.



-Mas a usinabilidade não depende apenas do material da peça,depende também

das condições de usinagem: características da ferramenta, condições de

refrigeração,rigidez do sistema máquina-ferramenta-peça-dispositivos de fixação e

das operações executadas (tipo da operação, corte contínuo ou intermitente,

condições de entrada e saída da ferramenta,...)



-Há vários métodos para medir o índice de usinabilidade. O ensaio chamado de

longa duração, é o método mais aceito.O material ensaiado e o material “padrão”

são usinados até o fim da vida da ferramenta (ou valor de desgaste pré-

determinado para a ferramenta), em diversas velocidades de corte.

Obtém-se a velocidade de corte para uma determinada vida da ferramenta. Por

exemplo,VC20 ( veloc.corte para uma vida de 20 minutos).


Ensaios de Usinabilidade


- O índice de usinabilidade I.U. será a relação entre a VC20 do material ensaiado e

a VC20 do material padrão.

I.U. = VC20 ( do material ensaiado )

VC20 ( material padrão)

O material padrão mais utilizado (ensaio de aços) é o aço AISI B1112.

O I.U. do material padrão é considerado 100%.


Ensaios de Usinabilidade


É comum se pensar que a usinabilidade é apenas uma propriedade ligada à

dureza do material da peça e à sua resistência mecânica. Segundo este

raciocínio, um material mole é de boa usinabilidade, e um material duro é de baixa

usinabilidade.

Este raciocínio é falso. Pois, além das propriedades citadas,outras podem ser

determinantes para a usinabilidade. Como : microestrutura, quantidade de

inclusões e aditivos presentes, tendência ao empastamento do cavaco,etc.


Usinabilidade x Propriedades do Material


Por exemplo, pode-se ter um aço inoxidável tipo 303 ( que possui sulfetos de

manganês para melhorar a usinabilidade) com dureza idêntica ao aço inoxidável

tipo 316. Porém, a usinabilidade do primeiro é muito maior que a do segundo.

A seguir será descrito como algumas propriedades dos materiais podem

influenciar a usinabilidade.




Dureza e resistência mecânica = Valores baixos de dureza e resistência mecânica

geralmente favorecem a usinabilidade. Porém, materiais muito dúcteis (que se

deformam muito, plasticamente, antes de sua ruptura) facilitam a formação da

indesejável aresta postiça de corte.

Ductilidade = Baixos valores de cuctilidade são geralmente benéficos à

usinabilidade,pois facilitam a formação de cavacos curtos. Porém, isto significa

alta dureza. Assim, é necessário o equilíbrio entre dureza e ductilidade.




Condutividade térmica = Uma alta condutividade significa que o calor gerado é

retirado rapidamente da região de corte (absorvido pela peça).Isto favorece a

usinabilidade.Porém, é necessário uma refrigeração eficiente. Esta propriedade

não pode ser facilmente alterada dentro de um determinado grupo de materiais.

Taxa de encruamento = Uma alta taxa de encruamento significa que a resistência

do material é aumentada.Requer mais energia para a formação do cavaco,então,

tem-se baixa usinabilidade.Favorece ainda, a formação da APC.




O Alumínio , de forma geral, pode ser facilmente usinado.Apenas o magnésio e

suas ligas podem ser usinados com a mesma taxa (baixa) de energia consumida.

O desgaste da ferramenta raramente é um problema.

Com relação à rugosidade obtida e ao tipo de cavaco (longo), não se pode dizer

que o alumínio tem boa usinabilidade, em condições normais. Contudo,as

temperaturas de usinagem são geralmente baixas e pode-se utilizar altas Vc (

que,com a geometria adequada da ferramenta,gerarão bom acabamento)


Usinabilidade das ligas de Alumínio


Alguns fatores que podem afetar as características de usinagem do alumínio:

elementos de liga,impurezas, processos de fundição e tratamentos aplicados ao

metal.

Sob a mesma força de corte, o alumínio se deforma três vezes mais que o aço.

Assim, as forças de corte necessárias à usinagem são mais baixas (em relação ao

aço) e também não se deve utilizar esforços exagerados na fixação das peças de

alumínio.




A alta condutividade térmica favorece a usinabilidade. A dureza da liga deve ser

maior que 80 HB, caso contrário, tem-se tendência à formação de APC.

O material de ferramenta típico é o metal duro da classe K, sem cobertura. O

metal duro da classe P (à base de carboneto de titânio) é inadequado devido à

grande afinidade físico-química entre o alumínio e o titânio. A ferramenta é sem

cobertura, porque não se necessita de grande resistência ao desgaste.




A influência do processo de fundição se dá através da velocidade de resfriamento

do metal líquido. Esta velocidade é baixa na fundição em molde de areia (em

relação à fundição sob pressão). Por conseqüência, a macro-estrutura é

grosseira, com baixa dureza e resistência à tração (baixa usinabilidade).

A forma e o tamanho das porosidades do processo de fundição também afetam a

usinabilidade, podendo caracterizar um corte interrompido durante a usinagem.




O fator metalúrgico predominante é a dureza. Uma maior porcentagem de

carbono favorece a usinabilidade (aumento da dureza e redução da ductilidade).

O valor médio é 200 HB. Abaixo deste valor tem-se tendência à formação de APC,

acima, desgaste da ferramenta por abrasão e difusão.

Uma boa medida, para aços de baixo carbono, é promover seu encruamento via

trabalho a frio. Aumentando assim sua dureza e reduzindo a ductilidade.


Usinabilidade dos Aços


Um segundo fator metalúrgico é a microestrutura. Sua variação, através de

tratamento térmico, afeta a usinabilidade.

Por exemplo, quando se passa de uma liga com 10% de ferrita e 90% de perlita

para uma liga com 35% de ferrita e 65% de perlita, a vida da ferramenta cresce

substancialmente. Apesar da dureza da peça ter decrescido somente cerca de

6 % .




Um terceiro fator fator metalúrgico é a presença de inclusões. As macro-inclusões

( com diâmetro maior que 150 µm) são em geral muitop duras e abrasivas.

Contudo, estão associadas a aços de baixa qualidade. Já as micro-inclusões,

estão presentes em todos aços, em algum nível. O efeito delas na usinabilidade

dos aços pode ser subdividido em:

Inclusões indesejáveis = partículas duras e abrasivas (ex:carbonetos,óxidos de

alumínio).




Inclusões “toleráveis” = não causam muito dano à usinabilidade,conseguem

fazer parte do fluxo de cavaco (ex:óxidos de manganês e de ferro).

Inclusões desejáveis (em altas velocidades de corte) = os silicatos (Si). Em altas

temperaturas, eles perdem muito de sua dureza, formando na zona de corte uma

camada que retarda o desgaste da ferramenta.




O último fator metalúrgico importante é a presença de elementos de liga. Alguns

elementos (como o chumbo, o enxofre e o fósforo) têm efeito positivo na

usinabilidade. Por outro lado, os elementos formadores de carbonetos (como o

vanádio,o molibdênio, o nióbio, o tungstênio) e outros (como manganês, níquel,

cobalto e cromo) têm efeito negativo na usinabilidade.

O carbono, quando presente em teores entre 0,3 a 0,6 %, tende a melhorar a

usinabilidade.




Técnicas metalúrgicas para melhorar a usinabilidade dos aços: adição de

elementos de liga; Engenharia de inclusões.

Os principais elementos de liga adicionados para melhorar a usinabilidade são o

enxofre (S), selênio (Se),telúrio (Te), chumbo (Pb), bismuto (Bi), estanho (Sn),

fósforo (P) e nitrogênio. Isoladamente, ou formando compostos, interrompem a

matriz do aço. Facilitando a quebra do cavaco, a lubrificação da ferramenta e,

consequentemente, diminuindo os esforços de corte.


Aços de usinabilidade melhorada


Durante a fabricação do aço, surgem inclusões que podem ter efeito benéficos ou

prejudiciais à usinabilidade dos aços. A Engenharia de inclusões trata das

técnicas de minimização dos efeitos prejudiciais. O principal tema, no âmbito dos

aços de usinabilidade melhorada, é o controle do oxigênio e da formação de

óxidos.


Aços de usinabilidade melhorada


Aços inoxidáveis são ligas ferrosas que possuem um mínimo de 12% de cromo

com a finalidade de resistir à corrosão. Outros elementos de liga são também

utilizados (Ni,Cu,Al,Si,Mo).Dividem-se em : ferríticos,martensíticos e austeníticos.

Os ferríticos possuem principalmente o cromo como elemento de liga. Eles têm

propriedades semelhantes ao ferro puro.E boa usinabilidade, se comparados aos

outros inoxidáveis.


Usinabilidade dos aços inoxidáveis


Os austeníticos, possuem alto teor de níquel (Ni) , o que altera suas propriedades

mecânicas : maior deformabilidade,tenacidade, resistência em altas temperaturas,

soldabilidade e resistência à corrosão. Formam cavacos longos com tendência à

formação de aresta postiça . Além disto têm : baixa condutividade térmica, alto

coeficiente de atrito e alto coeficiente de dilatação térmica. Ou seja, são os

inoxidáveis que apresentam a maior dificuldade para a usinagem.




Os martensíticos apresentam altos teores de carbono. Isto eleva a dureza e,

portanto, piora a usinabilidade. Um maior esforço de corte é requerido, devido à

presença de partículas duras e abrasivas de carboneto de cromo.

Para combater o encruamento (austeníticos), uma das técnicas é a adição de

elementos que formam inclusões frágeis. Outra alternativa é realizar um processo

de deformação a frio antes da usinagem.




Ferros fundidos são ligas ferro-carbono com porcentagem de carbono (C) entre 2

e 4 %. Principais propriedades: boa rigidez, resistência à compressão, relativo

baixo ponto de fusão ( viabiliza o processo de fabricação por fundição). Dividem-

se em: cinzento,branco,nodular,maleável (e vermicular ! ).

O FoFo branco têm baixo teor de silício, o que causa a formação de carbonetos.

Portanto o material é duro e frágil (usinabilidade ruim).


Usinabilidade dos ferros fundidos


O ferro fundido cinzento por outro lado apresenta a melhor usinabilidade entre os

fundidos. Têm alto teor de silício, o que gera muito carbono livre (grafite) e quase

nenhuma cementita (carboneto). Forma cavacos de ruptura.

O FoFo nodular apresenta grafite em forma de nódulos. A resistência mecânica, a

tenacidade e a ductilidade aumentam consideravelmente. Devido à estas

características, a usinabilidade é boa (bem melhor que o FoFo branco).




O FoFo maleável surge quando o FoFo branco é tratado termicamente. A

cementita é transformada em carbonetos esféricos ou até mesmo removida. O

material resultante é maleável, dúctil e resistente. De boa usinabilidade

(intermediária entre o cinzento e o nodular ).

O FoFo vermicular é a "novidade" entre os ferros fundidos. No Brasil já uma

empresa usinando este material (www.tupy.com.br)



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