Revisão sobre Usinabilidade de Materiais Metálicos: Aços e Fatores Influentes

A usinabilidade é uma propriedade que depende da interação entre o processo de fabricação e as características do material da peça No caso dos aços a composição química a microestrutura e os tratamentos térmicos e mecânicos têm um efeito acentuado na usinabilidade dessa classe de materiais metálicos No presente trabalho de revisão citamse os critérios de avaliação dessa propriedade bem como o modo de atuação desses fatores na usinabilidade A usinabilidade é uma propriedade intrínseca do material mas sim um resultado da interação do metal com a operação de usinagem As condições de usinagem estão estabelecidas para cada tipo de material e do avanço e velocidade são limitados pelo caráter gerado pelos atributos e pela deformação plástica do cavaco Quanto maior a usinabilidade do material da peça e a resistência ao desgaste do material da ferramenta maiores podem ser os avanços e as velocidades de corte A profundidade de corte é um fator importante também A usinabilidade é uma propriedade que depende da interação entre o processo de fabricação e as características do material da peça No caso dos aços a composição química a microestrutura e os tratamentos térmicos e mecânicos têm um efeito acentuado na usinabilidade dessa classe de materiais metálicos No presente trabalho de revisão citamse os critérios de avaliação dessa propriedade bem como o modo de atuação desses fatores na usinabilidade A vida da ferramenta é normalmente o critério de maior importância na caracterização da usinabilidade de um material A vida T é o tempo mínimo que uma ferramenta resiste do início do corte até sua utilização total sendo definida através da fórmula T Vc k Cv Rem Revista Escola de Minas Onde T vida da ferramenta min Vc velocidade de corte m min Cv vida para Vc 1 m min constante K coeficiente angular da curva de vida A dependência entre T e Vc é exponencial e em sistema bilogarítmico é representada por uma reta Os fatores mais importantes para aparecimento de desgaste na ferramenta são as partículas duras e abrasivas da peça bem como a resistência da matriz além do material da ferramenta empregado Critério força de usinagem 20 Existem dois fenômenos importantes no corte cisalhamento do metal diante do ângulo de corte e atrito na interface ferramentacavaco O trabalho necessário ao corte é composto pelos trabalhos de cisalhamento e pelo de atrito Qualquer redução desses trabalhos implica a redução do aquecimento e dos esforços no corte e consequentemente há um menor desgaste das ferramentas A grandeza da força de usinagem pode ser decomposta em força de corte força de avanço e força passiva é um critério de usinabilidade pois geralmente materiais de difícil usinagem também apresentam forças de trabalho maiores As componentes da força de usinagem são influenciadas principalmente pelo material da peça pelas condições de corte e pela geometria da ferramenta Elas obedecem à fórmula de Kienzle empírica que relaciona as características do material a seção de usinagem e a força de corte Para a força de corte FC vale FC b KC11 h 1mc Onde FC força de corte N b largura de corte mm h espessura de corte mm 1 mc coeficiente angular KC11 força específica de corte para seção de 1 mm² A influência do material é dada pelo expoente 1 mc e pela força específica KC11 Não é possível estabelecer uma relação perfeita entre a estrutura do material e a força específica de corte assim como o coeficiente angular devido aos diversos fatores de influência que surgem Normalmente a força de corte cai com o aumento da temperatura na zona de corte Devido a isso normalmente altas velocidades de corte levam a menores forças de corte Ao mesmo tempo todas as medidas que facilitam o fluxo de cavaco fluido de corte grande ângulo de saída levam a uma diminuição das forças Critério qualidade superficial da peça 20 A rugosidade das superfícies obtidas na usinagem pode ser um critério para determinação dos parâmetros de entrada Rem Revista Escola de Minas A rugosidade é decorrente da forma da quina da ferramenta e do movimento relativo entre peça e ferramenta A rugosidade aumenta com o aumento do avanço e diminui com o aumento do raio de quina Com relação à velocidade de corte a rugosidade incidental tende a aumentar com o aumento da velocidade de corte diminuindo após uma certa velocidade Isso se deve à formação de gume positivo que pode ocorrer a pequenas velocidades de corte fator que desaparece com o emprego de velocidades de corte mais altas A profundidade de corte praticamente não influencia sobre a qualidade superficial quando a profundidade for superior a um valor mínimo Os ângulos da ferramenta o ângulo de saída e o ângulo de posição têm a maior influência sobre a qualidade superficial Com o aumento positivo do ângulo de saída a rugosidade diminui A diminuição do ângulo de posição leva a um aumento da força passiva e em decorrência aumenta a possibilidade de vibrações regenerativas que levam a uma piora da qualidade superficial Também o desgaste da ferramenta tem influência sobre a qualidade superficial da peça Critério formação de cavacos 1820 Quando se usa um material mole se forma uma aparo espessa e em forma de fi mais ocorre um acamamento superficial ruin A ferramenta de corte atua como uma cunha deformando o metal à sua frente por cisalhamento até que em algum ponto seja atingida a tensão de ruptura e a porção da metal deformada se rompa formando o cavaco Pelo fato de o material ser mole é necessária uma grande deformação para que seja atingido o ponto de ruptura Quando isso ocorre a aparas resultante é espessa indicativa de uma má qualidade de usinagem Também em consequência dessa grande deformação o contato entre ferramenta e cavaco é maior surgindo pontos de soldagem entre os dois materiais e ocorrendo um aumento do atrito Durante a deformação o material da apará é encruado aumentando a sua resistência A ruptura passa a se dar abaixo da superfície de corte no metal mais mole produzindo arranhamentos que prejudicam o acabamento da peça usinada Quando a diferença de resistência do material da apará e do metal de base tornase menos significativa diminuise a tendência de corte ruptura abaixo da superfície da peça a deformação necessária para se atingir a tensão de ruptura do cavaco é menor formando uma aparas menos espessa reduzindo também o atrito e o arrasto sobre a ferramenta Um dos fatores que mais limita a velocidade de usinagem é a forma dos cavacos As pesquisas demonstraram que os metais ao serem usados devem produzir um cavaco frágil e portanto quebrado o que propicia maior facilidade de manuseio e operação Paralelamente os cavacos devem ter um raio de curvatura pequeno para haver menor área de contato e consequentemente menor atrito com a ferramenta de corte proporcionando maior vida útil No entanto de corte juntamente com a formação do cavaco ocorre a formação de um ângulo de deformação y e um ângulo de cisalhamento q Um aumento dos ângulos q e y significa que o volume de metal implicado na deformação diminui aumentando a usinabilidade A forma e o tamanho do cavaco são muito importantes principalmente para os processos de usinagem onde há pouco espaço para os cavacos ou em máquinasferramentas com pouco espaço de trabalho Cavacos helicoidais planos preferencialmente apresentam a sua saída tangenciando o flanco da ferramenta e em decorrência disso diminuem o suporte e a quina da ferramenta Cavacos em fita cavacos emaranhados e cavacos fragmentados apresentam um perigo para o operador da máquina As principais influências sobre a formação dos cavacos são as condições de corte a geometria da ferramenta e por parte do material da peça a deformabilidade a tenacidade e a resistência ao estado metalúrgico do material Através da diminuição da velocidade de corte ou do ângulo de saída a fragilidade dos cavacos de materiais aumenta muito elasticamente devido à maior deformação do cavaco De maior importância é a influência do avanço e do ângulo de posição Um aumento na espessura do cavaco leva a uma deformação da medida na superfície de cisalhamento isto é aparecem cavacos curtos Como com um aumento crescente da profundidade de corte devemse escolher valores maiores de avanços para uma quebra mais favorável do cavaco utilizase normalmente a relação profundidade x avanço como critério de formação de cavaco A formação de cavacos é bastante influenciada pela resistência e conformabilidade do material Uma resistência crescente favorece a quebra dos cavacos Impurezas como inclusões na matriz do Metal provocam uma forma de cavaco irregular de quebra facilitada Os elementos de liga exercem grande influência sobre a formação dos cavacos 4 Aspectos metalúrgicos que interferem na usinabilidade Os melhores parâmetros de corte e as características das ferramentas devem ser associados também às condições metalúrgicas do aço ou ferro Dessa forma devese utilizar a análise química a dureza e a microestrutura para identificar as melhores combinações capazes de promover vantagens na usinabilidade 4 O trabalho a frio pode melhorar a usinagem através do encruamento provocado o que aumenta a dureza e dificulta o empastamento do cavaco sobre a ferramenta e a formação da aresta posição de corte Se a dureza da peça for elevada excessivamente haverá um desgaste exagerado da ferramenta e um acréscimo na potência necessária 6 O saldo entre a diminuição da força de corte e o efeito oposto pelo aumento da resistência mecânica à deformação representa os parâmetros de análise que definem o compromisso para obtenção da melhoria da usinabilidade 5 Nakamura e col 5 confirmaram que a taxa de desgaste da ferramenta é reduzida pelo trabalho a frio atribuindo esse resultado à redução da energia de corte necessária e à queda da temperatura de trabalho Porém em materiais que apresentam alta taxa de encruamento e alta ductilidade o trabalho a frio provoca ainda acentuação na usinabilidade 2 Yamamoto 4 concluiu que o efeito resultante de dois fatores queda de ductilidade versus aumento de dureza é que vai determinar a melhora ou não da usinabilidade Comprovouse 5 que há uma melhora na performance de produção após o trabalho a frio atribuída também aos aspectos mecânicos Nesse estudo barras trefiladas permitiram obter ganho de produtividade em relação às barras brutas de laminação Barras trefiladas obtiveram maiores ganhos do que as barras trefiladas Os resultados mostram que a melhor performance na usinagem foi obtida basicamente pelas melhores características dimensionais e de superfície Microestrutura Do ponto de vista tecnológico a estrutura do material é de suma importância tendo em vista que a mesma está correlacionada com as propriedades mecânicas físicas e químicas da peça 7 No tocante à microestrutura Ferraresi8 cita que em função da possibilidade de transformação da microestrutura do aço ou ferro fundido sem alteração da composição química ela se constitui um importante fator de influência na usinabilidade Os microconstituentes alteram as características de ductilidade e de fragilidade em função da sua presença quantidade e forma promovendo diferentes condições de quebra de cavaco abrasividade força e temperatura de corte A presença de fases aciculares tipo bainita e martensita em função do efeito extremamente abrasivo também é indesejável na usinagem 9 O tamanho de grao é um dos parâmetros a se controlar devido ao efeito de fragilização do cavaco produzido em função de uma estrutura de grãos grossheiros 9 Porém com uma estrutura mais refinada menores são os ferritóides e intergranulares e maiores são os contornos de natureza química e eletrostática melhorando o comportamento frente às solicitações mecânicas impostas no trabalho de usinagem 7 Os átomos de sólido permanecem em solução aumentando a dureza através dos efeitos endurecedores de solução sólida super saturada O notável efeito endurecedor pode ser justificado pela grande diferença de raios atômicos e de eletronegatividade Os átomos de impurezas interagem com os campos de tensões hidrostáticas e cisalhantes formando uma atmosfera com as discordâncias em cunha em hélice resultando também em um impedimento ao movimento das mesas facilitantes assim o rompimento do cavaco 7 O manganês possui a maior afinidade química pelo enxofre e na medida em que cresce o seu teor aumenta a usinabilidade devido o sulfeto desse metal ser mais macio e deformável do que os compostos com outros metais Essa vantagem porém não compensa o maior desgaste das ferramentas a perda de conformabilidade a quente e a ductilidade a temperatura ambiente o aparecimento dos piores acabamentos superficiais e a diminuição da resistência à corrosão 215 Existêm afirmações de outras formas de atuação dos metais macios tais como liquação do chumbo causando fragilidade pela formação de microtrincas nas zonas primária e secundária de cisalhamento concentração de tensões introduzidas pela diferença de propriedades mecânicas entre as inclusões e a matriz redução na deformabilidade do sulfeto de manganês pela presença do chumbo na interface 4 Dados de Publicação Rem Revista Escola de Minas Brasil Leia a Declaração de Acesso Aberto Rem Revista Escola de Minas