Ensaios de usinabilidade dos metais

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA DA UFPA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
DISCIPLINA: USINAGEM DOS METAIS

Ensaios de
Usinabilidade
dos Metais
Professora: Maria Adrina Paixão de Souza da Silva, Dra. 1
Eng.


DEFINIÇÃO

Usinabilidade - De um modo geral, é o grau de
dificuldade de se usinar um determinado material.

2


DEFINIÇÃO
As propriedades do material que podem
afetar a usinabilidade de um material são:

• Dureza

• Taxa de encruamento

• Resistência a tração

• Ductilidade

• Condutividade térmica 3


DEFINIÇÃO
Dureza / Resistência a tração ↑

• Dificulta a usinabilidade
• Aumenta os esforços de corte

Ductilidade ↑

• Melhora a usinabilidade
• Favorece a formação dos cavacos
• Diminui os esforços de corte
• Tendências a formação de aresta postiça
4


DEFINIÇÃO
Condutividade térmica ↑

• Melhora a usinabilidade
• Diminui o calor gerado na região de corte

Dentre os tipos de materiais mais usinados, os que
têm maior condutividade térmica são:
1. Os alumínios
2. Os aços não ligados
3. Os aços ligados
4. Os aços inoxidáveis
5


DEFINIÇÃO
Taxa de encruamento ↑

Dificulta a usinagem
•Dificulta a formação de cavacos
• Aumenta os esforços de corte
• Tendências a formação de aresta postiça

Nota: Quando metais são deformados plasticamente,
eles aumentam sua resistência. A esse fenômeno dá-
se o nome de encruamento.
Aços carbono têm baixa taxa de encruamento.
Aços inox. Austeníticos têm alta taxa de encruamento.
6


OUTROS FATORES IMPORTANTES DE
INFLUÊNCIA NA USINABILIDADE
A usinabilidade não depende somente
das condições intrínsecas do material (fatores
metalúrgicos), mas depende também de:

• Condições de usinagem
• Características da ferramenta
• Condições de refrigeração
• Rigidez do sistema máquina-ferramenta
• Tipo de operação (corte intermitente ....)
• Etc....
7



É comum de se pensar no meio
produtivo, que a usinabilidade é uma propriedade
intrinsecamente ligada à dureza do material da peça
e à sua resistência mecânica.

Assim, segundo este raciocínio, um material mole é
de boa usinabilidade e um material duro de baixa
usinabilidade.

Verdadeiro ou falso ?
8



Exemplo:
Comparando os dois aços inox:

- Aço 303
Mesma dureza
- Aço 316

Porém o aço 303 tem maior usinabilidade que o
316 porque ele possui sulfeto de managanês,
que melhora a usinabilidade.
9


ÍNDICE DE USINABILIDADE (IU)
É um valor numérico que serve de
comparação.

Assim comparando dois materiais, diremos que
aquele que tiver um índice de usinabilidade mais
alto é o material mais fácil de se usinar.

Um material pode ter um valor de usinabilidade
baixo em certas condições de usinagem e um
valor maior em outras condições, por exemplo.

10


Com relação aos critérios de usinabilidade
baseados na rugosidade, pode-se dizer que
o alumínio tem uma usinabilidade alta?

Em condições normais de usinagem, o cavaco
formado é longo e o acabamento superficial
obtido é insatisfatório.

Porém, bons acabamento superficiais podem ser
obtidos se a velocidade de corte for
suficientemente alta e a geometria da ferramenta
adequada. 11



12


ENSAIO DE USINABILIDADE
Existem diversos métodos para medir a usinabilidade de
um material.

O método mais aceito é um ensaio chamado de longa duração,
onde o material ensaiado e o material tomado como padrão são
usinados até o fim da vida da ferramenta ou até um determinado
valor de desgaste da ferramenta (VB ou KT).

13


ENSAIO DE USINABILIDADE
Existem também os ensaios de curta
duração que são utilizados para avaliar
outros fatores como:

• Rugosidade
• Força de usinagem
• Etc.

Nestes casos normalmente as condições de
usinagem são forçadas para justamente para obter
o resultado em pouco tempo de ensaio.
14


USINABILIDADE DAS LIGAS
DE ALUMÍNIO
O alumínio puro é muito fácil de se usinar,
mas quando ele é ligado a sua usinabilidade se
torna baixa.

Por exemplo, a liga de alumínio-silício contém
partículas de silício altamente abrasivas e
desgastam rapidamente a ferramenta de metal
duro.

15


DE ALUMÍNIO
Importante saber que:

As propriedades mecânicas e térmicas do
alumínio puro são fatores decisivos nas
características de usinagem de suas ligas.

Você sabia que EAÇO= 3EAlumínio ?

Isto significa que, sob a mesma força de corte, o
alumínio se deforma 3 vezes mais do que o aço.

Condutibilidade do Al = 2 Aço 16


DE ALUMÍNIO
Embora algumas ligas de alumínio
apresentem uma resistência equivalente à do aço
com baixo carbono em temperatura ambiente, em
temperaturas elevadas a sua resistência é bastante
reduzida.

O alumínio tem uma elevada condutividade térmica o
que faz com que boa parte do calor vá para a peça.

Isto favorece a usinabilidade destas ligas já que a
elevação da temperatura é inerente ao processo.
17


DE ALUMÍNIO
Propriedade positiva: alta condutividade
térmica; Melhora a usinabilidade.

Propriedade negativa: Baixa dureza; Favorece a
formação da APC.
Prejudica o acabamento da peça e provoca desgaste
frontal da ferramenta

A alta condutividade térmica favorece a
usinabilidade destas ligas já que a elevação da
temperatura é inerente ao processo.
18


DE ALUMÍNIO

19


DE ALUMÍNIO

O material de ferramenta típico para a
usinagem de ligas de alumínio (com exceção das
ligas de silício) é o metal duro de classe K sem
cobertura.

- Temperaturas de corte baixos.
- Não há desgaste de cratera incentivado pela difusão.

20


CLASSES – NORMA

ISO

21


CLASSES – NORMA

ISO
A classe K é recomendada pois as
temperaturas de corte são mais baixas, e por isso
a formação do desgaste de cratera via processo
difusivo não é um problema.

22


ELEMENTOS DE LIGAS E SUAS
INFLUÊNCIAS NA USINABILIDADE
DO ALUMÍNIO

23


USINABILIDADE DO
AÇO
Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços:

• Dureza
• Microestrutura
• Presença de Inclusões
• Presença de elementos de liga

24


FATORES QUE AFETAM A
USINABILIDADE DOS AÇOS
• Dureza
O fator que predominantemente afeta a
usinabilidade é sem dúvida a dureza.

25


• Dureza
200 HB é um bom valor referencial em termo
de dureza.
No entanto

Dureza > 200HB Dureza < 200 HB
• Aumenta os esforços • Aumenta a dutilidade
de corte
• Aumenta o desgaste • Tendências APC
via abrasão e difusão
26


• Microestrutura
A variação da microestrutura ocasionada pelo
tratamento térmico afeta a usinabilidade.

Cementita = Ferrita + Perlíta.
É uma fase extremamente abrasiva.

Martensita = Carboneto de ferro que se forma na
têmpera do aço. (O nome provém de Adolf Martens,
engenheiro alemão [1850-1914].)
É uma fase extremamamente dura. 27


• Microestrutura

1. Quando o material tem uma microestrutura
predominantemente martensítica, que é
extremamente dura, a vida da ferramenta é
reduzida.

2. Quando o teor de cementita, que é uma fase
extremamente abrasiva - pois é cheia de
carbonetos que são partículas extremamente
duras - é predominante, a vida da ferramenta
também é reduzida. 28


• Presença de Inclusões
São partículas duras presentes no material (óxidos de
ferro, Mn, Si etc.).
- Macro inclusões:
Presentes em aços de baixa qualidade. São geradas durante a
fabricação no forno. São indesejáveis.
- Micro inclusões:
Presentes em todos os aços.
São desejáveis quando ajudam na remoção rápida do material e
na formação do cavaco curto, que retarda o desgaste da
ferramenta.
São indesejáveis quando são duras e abrasivas provocando o
desgaste rápido da ferramenta. 29


• Presença de elementos de liga

- Alguns elementos de liga têm efeito positivo na usinabilidade
Chumbo, Fósforo, Enxofre.
- Alguns outros têm efeito negativo na usinabilidade (duros e
abrasivos)
Vanádio, Molibdênio, Tungstênio, Manganês, Níquel, Cobalto,
Cromo etc
- O carbono quando presente em teor entre 0.3 e 0.6% tende a
melhorar a usinabilidade.
Quando C< 0.3%: material dúctil, formação APC+dificuldade de
quebra do cavaco
Quando C> 0.6: material duro e abrasivo, desgaste rápido da 30
ferramenta.


AÇO INOX
São ligas ferrosas que possuem um mínimo
de 12% Cr para aumentar a resistência à corrosão.
Eles contém também outros elementos de liga
como o Ni, Cu, Al,Si e Mo.

Três classes: • Ferrítico (cromo principal elemento)
• Austenítico (série 300) (presença da
austenita à Temp. ambiente faz que tenha maior
deformabilidade, podendo ser conformado a frio e a quente)
• Martensítico (400) (presença da austenita a
Temp > 723°C)
31


AÇO INOX
Características

Aço Martensítico
- Muito duro
- Alto teor de carbono
- Formação de partículas
duras e abrasivas de
carbonetos de cromo
- Gera elevados esforços
de corte
32


AÇO INOX
Características

Aço Austenítico
-Não muito duro - Baixa cond. Térmica
-Alta taxa de encruamento (retém calor na região
- Grande zona de plasticidade de corte)
-Formação de cavacos longos - Alto coeficiente de
que tendem a empastar sobre atrito (aumenta os
a superfície de saída esforços de corte)
- Formação da APC - Alto coeficiente de
dilatação térmica
(dificuldade de
obtenção de 33
tolerâncias apertadas)


AÇO INOX
Os aços inox normalmente têm uma
usinabilidde baixa, no entanto a usibilidade pode
ser melhorada adicionando elementos de liga
como o Manganês e o Enxofre, que combatem o
encruamento do material durante a usinagem

34


AÇO INOX
ESTUDO DE CASO

Influência da Microestrutura na Usinabilidade dos
Aços Inoxidáveis AISI 630 com e sem Adição de
Cálcio
H. Matsumoto , J. Minatogawa , J. Gallego .

35


ESTUDO DE CASO
Motivação

• Redução de custo de fabricação
- Maior taxa de remoção de material
- Maior vida útil da ferramenta

Nota: Sem acarretar prejuízo nas propriedades
mecânicas.

36


ESTUDO DE CASO
A adição de cálcio provoca uma modificação da
natureza e da morfologia das inclusões e é uma técnica já
conhecida pelas aciarias modernas.

O cálcio é adicionado geralmente em forma de fios de Ca-Si
durante o refino do aço líquido, transformando as inclusões de
alumina em aluminatos de cálcio.

Enquanto as inclusões de alumina são duras e abrasivas, com
ponto de fusão de 2045oC, compostos do sistema SiO2-CaO-
Al2O3, apresentam ponto de fusão bem mais baixo, de até
cerca de l300oC.
37


ESTUDO DE CASO
A formação de tais compostos gera inclusões
globulares, geralmente envolvida por uma camada
de sulfetos de cálcio e de manganês e conferem
melhoria de usinabilidade, principalmente a altas
velocidades de corte.

38


ESTUDO DE CASO
MATERIAIS E MÉTODOS

Para a realização dos ensaios de usinabilidade foi utilizado um
torno CNC de 5,6 kW de potência e rotação máxima de 4000
rpm. A ferramenta de corte utilizada foi um inserto de metal
duro, intercambiável, ISO WNMG-06T308-TF-IC907, com
cobertura PVD de TiAlN, comprimento da aresta de corte de
6,52 mm, espessura de 3,9 mm;raio de ponta de 0,8 mm e
ângulo de saída de 13°. Porta ferramenta ISO PWLNR 20X20-K-
08, ângulo de posição 90° e ângulo de folga 6°.

39


ESTUDO DE CASO

A rugosidade da peça usinada foi medida com um rugosímetro
Taylor/Robson “Surtronic 3”, digital de 0,01μm e o desgaste da
ferramenta foi medido com o auxílio de um microscópio.

Os materiais ensaiados foram os aços inoxidáveis AISI 630
convencional e modificado com adição de cálcio (AISI 630UF),
não endurecidos, ambos com dureza aproximada de 33 HRC,
com as principais composições químicas apresentadas na
tabela.

40


ESTUDO DE CASO

41


ESTUDO DE CASO

Parâmetros de corte
Vc = 250 m/min, ap = 1,0 mm, avanço f = 0,25 mm.

Em cada caso, após duas passadas da ferramenta ao longo da
peça, foi retirada a pastilha para avaliação e medição do desgaste
máximo de flanco (VBBmáx) e da rugosidade.

Como critério de fim de vida foi adotado VBBmáx = 0,3 mm ou tempo
de corte = 25 minutos, prevalecendo o que ocorresse primeiro, ou
seja, os ensaios eram finalizados quando ocorresse qualquer um
dos casos, salvo acidentes de percurso como trincas ou
lascamento da pastilha, os quais finalizaram automaticamente o
42
ensaio.


ESTUDO DE CASO
RESULTADOS

Os resultados serão apresentados em dois
subtítulos:

- a usinabilidade dos aços em relação ao desgaste
da ferramenta de corte e acabamento superficial.
- a microestrutura dos materiais ensaiados.

43


ESTUDO DE CASO
RESULTADOS

Até o fim de vida da aresta de corte, preestabelecida
em VB=0.30 mm, o aço modificado proporcionou um aumento
de produtividade de 15 a 20%.

44


ESTUDO DE CASO
O acabamento superficial do aço modificado foi
cerca de 30% melhor.

45


ESTUDO DE CASO

46


ESTUDO DE CASO

47


ESTUDO DE CASO
CONCLUSÕES DO ESTUDO

Após usinagem, não houve alteração nas propriedades
mecânicas dos 2 materiais que pudesse ser atribuída à
presença de Calcio e Enxofre.
A melhoria da usinabilidade observada no aço
modificado foi promovida pela presença de um maior número
de inclusões bem próximas entre elas e que contribuiram para
a propagação das microfissuras responsáveis pela quebra do
cavaco.
A formação de cavacos descontínuos (curtos) no aço
modificado, proporcionou um menor desgaste da ferramenta e
contribui para a melhoria do acabamento superficial
(rugosidade). 48


USINABILIDADE DO
FERRO FUNDIDO
Ferros fundidos são ligas ferro-carbono
com porcentagem de carbono entre 2 e 4%,
contendo ainda outros elementos de liga como
o silício, o manganês, o fósforo e o enxofre,
além do níquel, cromo, molibdênio e cobre.

49


USINABILIDADE DO
FERRO FUNDIDO
Principais propriedades:

• Boa rigidez

• Resistência à compressão

• Baixo ponto de fusão

50


USINABILIDADE DO
FERRO FUNDIDO

51


USINABILIDADE DOS

DIVERSOS TIPOS DE FERRO
FUNDIDO

52


USINABILIDADE DO FoFo

O Silício influencia significativamente a
usinabilidade.

FoFo com 12% de Silício ou mais são
praticamente impossíveis de serem usinados.

53


Além da influência do silício na
usinabilidade, outros elementos de liga também
influem na usinabilidade dos ferros fundidos

A influência dos elementos pode ser dividida
em 2 tipos:
Os formadores de carboneto (cromo, cobalto,
manganês, molibdênio e vanádio), que
prejudicam a usinabilidade devido ao fato de
que os carbonetos são partículas muito duras e
abrasivas.
54


Os grafitizantes (silício, níquel, alumínio
e cobre) auxiliam na usinabilidade.

O sulfeto de manganês também é utilizado nos
ferros fundidos para melhorar a usinabilidade.

55


Conclusão:

Em termos gerais podemos dizer que quanto
maior a dureza e a resistência de um tipo de
ferro fundido pior é a sua usinabilidade.

56


CINZENTO
O FoFo Cinzento pode conter até 3% de Si.

No ferro fundido cinzento com alto teor de silício
apresentará muito carbono livre e quase nenhuma
cementita (O silício é um poderoso grafitizante).

É de boa usinabilidade.

O FoFo cinzento forma cavacos de ruptura, enquanto
que os maleáveis e nodulares formam cavacos
longos.
57


BRANCO
O FoFo Branco contém de 2.5 a 3.5% C apresenta
baixo teor de Silício, alto teor de carbeto de ferro e pouco
grafite livre.

O resultado é uma estrutura muito dura, resistente,
quebradiça e sua usinabilidade é dificílima.

Quando a sua dureza é da ordem de 300 HB, a usinagem é
praticamente impossível.

Ele é utilizado para a moldagem de peças que não devem
ser usinadas como:
Tubos para abastecimento de água ou gás. 58


MALEÁVEL
O FoFo Maleável é um FoFo recozido.
Esse tratamento reduz a quantidade de grafite
lamelar e transforma uma quantidade
considerável de carbeto de ferro em ferro dútil,
mole e grafite esferoidal.

O resultado é uma estrutura com uma certa
ductilidade e tenacidade, de boa usinabilidade.

59


NODULAR
O FoFo Nodular também chamado às vezes de
FoFo ductil é obtido pelo adição de pequena
quantidade de magnésio ou de cério no FoFo de alto
carbono em estado líquido.

A estrutura resultante após resfriamento da solução e
apresenta o carbeto de ferro e grafite em forma esferoidal
(nodular).

A normalização e o revenimento do FoFo nodular aumenta
sua resistência, mas o torna mais quebradiço.

Apesar de ser mais resistente, ele é usinável. 60


LIGAS RESISTENTES AO
CALOR
Muitas aplicações industriais atuais, assim
como as construções aeronáuticas, requerem materiais mais
tenazes com maior resistência às altas temperaturas.

A esta demanda respondem os aços inox e uma grande
variedade de ligas resistentes ao calor, compostas de Ni,
Mo,
Co, W, Titânio, ferro e outros elementos.

Algumas dessas ligas eram tidas como impossíveis de
usinar-se.

Todavia as conquistas no domínio da teoria da usinagem e
61
dos fluídos de corte permitem hoje o uso extenso dessas


LIGAS RESISTENTES AO
CALOR
Por exemplo, na usinagem do titânio,
o seguinte quadro é encontrado:

• grau de dificuldade da usinagem é muito grande
• vida da ferramenta curta
• calor desenvolvido muito alto

62


Bibliografias
• ABREU FILHO, Carlos. Tornearia Mecânica – Notas de
Aula, Belém, 2007.

• AGOSTINHO, Oswaldo Luis. VILELLa, Ronaldo Castro
(In Memoriam), BUTTON, Sérgio Tonini. Processos de
Fabricação e Planejamento de Processos. Universidade
Estadual de Campinas - Faculdade de Engenharia
Mecânica - Departamento de Engenharia de Fabricação -
Departamento de Engenharia de Materiais. Campinas, SP.
2004

• BRAGA, Paulo Sérgio Teles, CPM - Programa de
Certificação de Pessoal de Manutenção – Mecânica -
Processos de Fabricação, SENAI/CST, Vitória, ES. 1999.

• COSTA, Éder Silva & SANTOS, Denis Júnio. Processos
63
de Usinagem. CEFET-MG. Divinópolis, MG. março de 2006


Bibliografias
• DINIZ, A. E., Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 3 ed.
São Paulo: Artliber Editora, 2003.

• FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos
Metais. Editora Edgard Blücher LTDA. São Paulo, SP,
1977

• INMETRO. SISTEMA Internacional de Unidades – SI
(tradução da 7ª edição do original francês “Le Système
International d’Unités”, elaborada pelo Bureau International
des Poids et Mesures - BIPM). 8ª edição Rio de Janeiro,
2003. 116 p.

• INMETRO. Vocabulário Internacional de Termos
Fundamentais e Gerais de Metrologia – VIM – Portaria
Inmetro 029 de 1995. 3ª edição, Rio de Janeiro, 2003. 75p.
64
• reimpressão.


Bibliografias
• PALMA, Flávio. Máquinas e Ferramentas. Apostila,
SENAI-SC, Blumenau, 2005.

• SECCO, Adriano Ruiz; VIEIRA, Edmur & GORDO, Nívia.
Módulos Instrumentais – Metrologia. Telecurso 2000. São
Paulo, SP, 2007

• VAN VLACK, L. H., Princípios da Ciência e Tecnologia dos
Materiais. Tradução Edson Carneiro. Rio de Janeiro:
Elsevier, 1970 – 4ª reimpressão.

65

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