O que é a usinabilidade de materiais metálicos?

No campo da fabricação mecânica, a usinagem está presente em todos os lugares. No entanto, os engenheiros logo percebem na produção real que:"Usinável" não significa "fácil de usinar".

Com a mesma máquina-ferramenta e parâmetros de corte idênticos, a simples troca do material pode resultar em forças de corte, vida útil da ferramenta e qualidade da superfície completamente diferentes. Essa diferença é determinada pela usinabilidade do material.

Do ponto de vista da prática de engenharia, este artigo apresenta sistematicamente o conceito de usinabilidade de metais, os métodos de avaliação comuns, os principais fatores de influência e as estratégias comprovadas para melhoria em ambientes reais de produção.

1.0Por que a usinabilidade merece ser estudada a fundo?

A usinagem continua sendo um dos métodos de conformação de metais mais utilizados na indústria moderna. No entanto, diferentes materiais se comportam de maneira muito distinta durante o corte.

1.1Exemplos de diferenças de desempenho no corte:

• Ligas de alumínio, ligas de cobre: Corte leve, baixas forças de corte, alta eficiência;
• Aços-liga, aços inoxidáveis, ligas de titânio, superligas à base de níquel: elevadas forças de corte, calor concentrado, desgaste rápido da ferramenta, frequentemente acompanhado de lascamento da aresta de corte e problemas de vibração.

1.2Consequências da compreensão inadequada da usinabilidade:

• Vida útil da ferramenta significativamente reduzida;
• Eficiência de usinagem persistentemente baixa;
• Qualidade instável da superfície;
• Otimização de parâmetros de processo por meio de repetidas tentativas e erros.

Portanto, compreender a essência da usinabilidade e aplicar estratégias direcionadas é fundamental para melhorar a eficiência, controlar os custos e garantir um desempenho de usinagem estável.

2.0O que é a usinabilidade de materiais metálicos?

A usinabilidade de um material metálico refere-se ao grau de dificuldade com que ele pode ser usinado sob condições de corte específicas e um requisito de vida útil da ferramenta definido.

Do ponto de vista da engenharia, um material com “boa usinabilidade” tipicamente apresenta:

• Velocidades de corte permitidas mais elevadas sob as mesmas condições de vida útil da ferramenta;
• Forças de corte e temperaturas de corte mais baixas, com menor desgaste da ferramenta;
• Qualidade de superfície estável, com lascas que se quebram facilmente e podem ser removidas de forma controlada.

Por outro lado, se um material resulta em vida útil curta da ferramenta, alta resistência ao corte, acabamento superficial ruim ou difícil controle de cavacos, geralmente é considerado como tendo baixa usinabilidade.

Deve-se enfatizar que a usinabilidade é uma conceito relativoNão se trata de um julgamento inerente sobre se um material é "bom" ou "ruim".

3.0Como se avalia a usinabilidade?

3.1Métricas comuns de avaliação em engenharia

Em aplicações práticas de engenharia, a usinabilidade geralmente é avaliada por meio de uma combinação de indicadores, incluindo:

• Vida útil da ferramenta;
• Velocidade de corte permitida;
• Força de corte;
• Temperatura de corte;
• Qualidade da superfície usinada;
• Morfologia do chip.

Dentre estes, o velocidade de corte permitida para uma vida útil da ferramenta especificada é o indicador quantitativo mais comumente usado e mais relevante para a engenharia:

• Materiais metálicos em geral: A velocidade de corte com vida útil da ferramenta T = 60 min (vc₆₀) é usada como referência;
• Materiais de difícil usinagem: A velocidade de corte com vida útil da ferramenta T = 20 min (vc₂₀) é frequentemente adotada.

3.2Índice de usinabilidade relativa Kr

Para facilitar a comparação entre diferentes materiais, o índice de usinabilidade relativa Kr é amplamente utilizado na prática da engenharia:Kr = Velocidade de corte do material em T = 60 min / Velocidade de corte do aço AISI 1045 em T = 60 min

Neste caso, o aço AISI 1045 (170–229 HBS) serve como material de referência.

• Kr > 1: A usinabilidade é melhor que a do aço 1045;
• Kr < 1: A usinabilidade é pior que a do aço 1045.

Este índice é particularmente útil para a seleção de materiais e o planejamento preliminar de processos em aplicações de engenharia.

4.0Classificação da usinabilidade de diferentes materiais (perspectiva da engenharia)

Com base no índice de usinabilidade relativa Kr, os materiais são comumente classificados na prática da engenharia em múltiplos níveis, que variam de "fácil de usinar" a "extremamente difícil de usinar". Essa classificação é amplamente utilizada para uma avaliação rápida da dificuldade de usinagem durante a seleção de materiais e o planejamento do processo.

Uma regra amplamente aceita é a seguinte:À medida que a resistência, a plasticidade ou o desempenho em altas temperaturas do material aumentam, a usinabilidade tende a diminuir significativamente.

Isso explica por que as ligas de titânio e as superligas à base de níquel apresentam excelentes propriedades mecânicas e térmicas, mas são extremamente difíceis de usinar.

5.0Quais propriedades do material determinam a usinabilidade?

5.1Dureza e resistência

Com o aumento da dureza e da resistência, a resistência ao cisalhamento durante o corte aumenta proporcionalmente, resultando em maiores forças e temperaturas de corte, além de um desgaste acelerado da ferramenta.

A experiência em engenharia demonstra que materiais com dureza moderada e microestrutura uniforme são mais favoráveis para uma usinagem estável.

5.2Plasticidade e resistência

• Plasticidade excessiva: ocorre deformação plástica severa durante o corte, expandindo a área de contato ferramenta-cavaco, aumentando o atrito e promovendo a formação de aresta postiça;
• Tenacidade excessiva: o consumo de energia de corte aumenta e a quebra dos cavacos torna-se difícil.

Ambas as condições reduzem significativamente a usinabilidade.

5.3Condutividade térmica

Materiais com boa condutividade térmica podem dissipar o calor de corte de forma eficiente através do cavaco e da peça de trabalho, reduzindo a temperatura na zona de corte e mitigando o desgaste térmico da ferramenta.

Materiais com baixa condutividade térmica, como as ligas de titânio, tendem a concentrar o calor próximo à aresta de corte, acelerando a falha da ferramenta.

5.4Módulo de elasticidade

• Módulo de elasticidade excessivamente alto: maior resistência ao corte durante a remoção de material;
• Módulo de elasticidade excessivamente baixo: recuperação elástica acentuada após o corte, aumentando o atrito entre a face de folga e a superfície usinada.

Ambos os casos são desfavoráveis para a estabilidade da usinagem.

6.0Como a usinabilidade pode ser aprimorada na prática da engenharia?

6.1Melhoria da usinabilidade por meio de tratamento térmico

O tratamento térmico adequado pode melhorar significativamente o desempenho da usinagem, modificando a microestrutura:

• Aços de baixo carbono: normalização para refinar os grãos e reduzir a plasticidade excessiva;
• Aços com alto teor de carbono: recozimento de esferoidização para reduzir a dureza e melhorar a quebra de cavacos;
• Ferro fundido: recozimento antes da usinagem para aliviar tensões internas e reduzir a dureza superficial.

6.2Melhorando a usinabilidade através da otimização da composição química

Na produção em massa, a usinabilidade é frequentemente melhorada através do projeto da liga:

• A adição de enxofre, fósforo, chumbo ou cálcio ao aço pode reduzir a resistência ao corte e melhorar a quebra dos cavacos;
• A otimização da composição da liga em metais não ferrosos pode refinar a estrutura granular e melhorar a estabilidade da usinagem.

6.3Estratégias de Otimização de Usinagem para Materiais Típicos de Difícil Usinagem

Materiais de alta resistência e ultra-alta resistência

Para esses materiais, as forças de corte são tipicamente 20%–30% maiores do que as do aço AISI 1045, com temperaturas de corte elevadas e desgaste rápido da ferramenta.

As estratégias de engenharia incluem:

• Selecionar materiais para ferramentas de corte com excelente resistência ao calor e ao desgaste;
• Reduzir o ângulo de ataque ou adotar ângulos de ataque negativos e aumentar o raio da ponta da ferramenta para melhorar a resistência da aresta de corte;
• Realizar usinagem de desbaste em condição recozida ou normalizada sempre que possível;
• Controlar a velocidade de corte de forma razoável, em vez de buscar velocidades excessivamente altas.

Materiais de alta plasticidade e baixa dureza

Esses materiais são propensos à adesão, soldagem a frio e formação de bordas irregulares, resultando em uma qualidade de superfície instável.

Medidas eficazes incluem:

• Utilizar arestas de corte afiadas para reduzir a deformação durante o corte;
• Aumentar moderadamente a velocidade de corte para evitar a formação de aresta postiça;
• Aplicar taxas de avanço adequadas para melhorar a capacidade de quebra de cavacos.

7.0Conclusão: A usinabilidade é uma questão de engenharia em nível de sistema.

A usinabilidade de metais não é determinada por um único fator, mas pelos efeitos combinados das propriedades do material, das características da ferramenta de corte e dos parâmetros de usinagem.

Na prática da engenharia:

• Em termos de materiais: a usinabilidade pode ser melhorada através de tratamento térmico e otimização da composição química;
• Em termos de processo: a otimização sistemática das ferramentas e dos parâmetros de corte é necessária para materiais de difícil usinagem.

Somente compreendendo por que um material é difícil de usinar é que se podem desenvolver estratégias de usinagem verdadeiramente eficazes, alcançando uma otimização equilibrada de eficiência, qualidade e custo.

8.0Perguntas frequentes: dúvidas comuns sobre a usinabilidade de metais

8.1Q1: A usinabilidade é equivalente à dureza do material?

Não. A dureza é apenas um dos fatores que influenciam a usinabilidade e não é um indicador decisivo.

Na usinagem propriamente dita, a plasticidade, a tenacidade, a condutividade térmica, o módulo de elasticidade, bem como o atrito e a afinidade química entre o material da peça e a ferramenta de corte, têm um impacto significativo no comportamento do corte. Por exemplo, as ligas de titânio não possuem dureza particularmente alta, mas ainda são consideradas materiais de difícil usinagem devido à baixa condutividade térmica e à alta reatividade química.

8.2Q2: Por que as ligas de titânio são geralmente consideradas materiais difíceis de usinar?

A baixa usinabilidade das ligas de titânio resulta principalmente dos seguintes fatores:

• Baixa condutividade térmica: o calor do corte é difícil de dissipar, levando a altas temperaturas localizadas na ponta da ferramenta;
• Alta atividade química: forte tendência a aderir aos materiais da ferramenta, causando desgaste por adesão e difusão;
• Recuperação elástica acentuada: aumento do atrito na face de folga da ferramenta.

Esses fatores atuam em conjunto, tornando as ligas de titânio propensas ao desgaste rápido da ferramenta, lascamento das arestas e condições de usinagem instáveis.

8.3P3: O aço inoxidável é sempre mais difícil de usinar do que o aço carbono?

Não necessariamente. A usinabilidade do aço inoxidável está intimamente relacionada ao seu tipo microestrutural:

• Aços inoxidáveis austeníticos: alta plasticidade e severo endurecimento por deformação, resultando em baixa usinabilidade;
• Alguns aços inoxidáveis martensíticos: sob condições adequadas de tratamento térmico, a usinabilidade pode se aproximar ou ser ligeiramente inferior à dos aços de médio carbono;
• Aços inoxidáveis de usinagem livre: as classes que contêm enxofre apresentam bom desempenho em usinagem automática e de alta produtividade.

Portanto, o aço inoxidável não deve ser tratado como um material uniformemente difícil de usinar.

8.4Q4: Quando a usinabilidade é baixa, reduzir a velocidade de corte é a única solução?

Não. Simplesmente reduzir a velocidade de corte muitas vezes apenas alivia os sintomas, em vez de resolver a causa raiz.

Abordagens mais eficazes incluem:

• Selecionar materiais mais adequados para ferramentas de corte;
• Otimização da geometria da ferramenta: ângulo de ataque, resistência da aresta de corte e raio da ponta da ferramenta;
• Ajustar a combinação dos parâmetros de corte;
• Alterar as condições de tratamento térmico da peça quando necessário.

Em muitos casos, aumentar adequadamente a velocidade de corte pode, na verdade, ajudar a reduzir a formação de rebarbas e melhorar o acabamento da superfície.

8.5Q5: Qual é o impacto significativo do tratamento térmico na usinabilidade?

O impacto é substancial. Através da normalização, recozimento ou recozimento de esferoidização, o tratamento térmico pode:

• Modificar a microestrutura do material;
• Reduzir as forças de corte;
• Melhorar o comportamento de quebra de chips;
• Prolongar significativamente a vida útil da ferramenta.

 

Referência

https://www.3erp.com/blog/what-is-machinability-and-how-is-it-measured/
https://elitemoldtech.com/what-is-machinability/ https://www.canadianmetalworking.com/canadianmetalworking/article/metalworking/understanding-machinability