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Ajustes no Sistema de análise da usinabilidade aprimora os resultados de usinagem
Por: Patrick de Vos, Gerente de educação técnica corpor - 01/04/2015

A usinagem de produção nunca é "moleza". A principal razão é que a usinagem não é como cozinhar, em que a farinha serve para inúmeras receitas. Pelo contrário, os fabricantes sabem que não existe material para todas as finalidades de produtos usinados. Diferentes aplicações de produtos requerem materiais com propriedades de desempenho amplamente diferentes. Eixos automotivos, por exemplo, precisam da resistência dos aços de baixo teor em liga. Os componentes de motores de turbina requerem a resistência térmica das ligas à base de níquel.

Como demonstrado por suas capacidades de desempenho específicas, todos os materiais apresentam diferentes níveis das cinco propriedades físicas básicas. Essas propriedades são abrasividade, dureza, condutividade térmica, aderência/ductilidade e encruamento. As proporções das propriedades individuais em um material individual determinam em grande parte sua usinabilidade. Um aço de baixo teor em liga e baixa dureza apresentará fortes tendências de aderência que podem levar à aresta postiça e ao desgaste por difusão, enquanto que uma fraca condutividade térmica de uma resistente liga a base de níquel pode resultar em temperaturas de corte extremas que farão com que a ferramenta deforme e falhe.

O papel das propriedades de materiais nos resultados de usinagem
Em teoria, o conhecimento de misturas específicas de elementos de liga no material pode ser usado para determinar a escolha das ferramentas de corte e condições de trabalho que produzirão padrões de desgaste consistentes e boa produtividade. Mas a realidade é diferente. Não é raro que os parâmetros de corte da ferramenta de usinagem indicados para certo tipo de material não produza resultados completamente satisfatórios.

O motivo é a variabilidade na composição do material. Como em qualquer produto manufaturado, existe uma faixa de tolerância para os elementos de uma composição de material específica.

Para confirmar esse fenômeno, a Seco analisou uma gama de materiais brutos, todos eles nominalmente do mesmo tipo de material, e mensurou as cinco propriedades antes da usinagem. Algumas das propriedades foram iguais entre as amostras, mas outras apresentaram grandes diferenças.

Quando as propriedades básicas diferem entre as peças, a ferramenta de corte se comportará diferentemente e a produtividade pode cair. Para estabelecer um método de reconhecimento de tais variações e fornecer orientação sobre as maneiras de aprimorar o desempenho da ferramenta, no início dos anos 2000, a Seco se juntou a um projeto com fornecedores de aço e outras empresas relacionadas a processamento de metais com o objetivo de criar um sistema para mensurar as propriedades de peças usinadas e usar esses dados para prever a usinabilidade independente de aplicações como torneamento, fresamento e furação.

Sistema de análise da usinabilidade
O sistema de análise da usinabilidade resultante baseia-se em medições quantitativas das cinco propriedades listadas acima. Dureza e condutividade térmica são medidas por meio de métodos padronizados. O teor de carbono e a análise da distribuição de dureza fornecem dados sobre a abrasividade. A mensuração do alongamento dos cavacos em seu ponto de ruptura permite uma medição quantitativa das tendências de aderência, e uma fórmula relacionada ao limite de resistência à tração e tensão de escoamento do material de referência produz uma medição do encruamento.

Os pontos de dados das propriedades são estabelecidos em um diagrama de cinco pontas ou pentagrama. Valores baixos aparecem próximo ao centro do pentagrama e valores altos, nas bordas. A área delimitada pelos pontos de dados fornece uma imagem gráfica da soma das tendências do material. Conectar os cinco resultados dos pontos de dados únicos das propriedades produz um polígono de cinco lados nas bordas do diagrama polar.

Além de representar uma mistura de propriedades do material específico, o sistema fornece orientações para cada uma das cinco propriedades básicas em termos de material cortante, geometria e condições de usinagem. O sistema também descreve os padrões de desgaste normais da ferramenta.

Por exemplo, as tendências de aderência do material criam a necessidade de substratos e revestimentos tenazes combinados com raios de arredondamento de aresta agudos, ângulos de saída positivos e condições de corte para controle de temperatura (geralmente com uma velocidade alta o suficiente para levar o calor para fora dos cavacos). Os padrões de desgaste da ferramenta incluem microlascamento, arestas postiças, descamação e desgaste de entalhe.

Por outro lado, as ferramentas destinadas a lidar com a dureza do material devem ter substratos duros ou tenazes (dependendo das taxas de avanço utilizadas), arestas de corte com pequenos ângulos de saída e devem ser aplicadas a baixas taxas de avanço e profundidades de corte. Desgastes típicos da ferramenta incluem deformação plástica, lascamento e quebra.

Os materiais com tendência ao encruamento requerem ferramentas com elevada tenacidade, pequeno raio de ponta e geometrias de aresta adaptadas, aplicada em baixas velocidades de corte e altas taxas de avanço e profundidades de corte. Modos de falha de ferramentas incluem a deformação plástica, lascamento e entalhe.

Materiais como superligas que possuem baixa condutividade térmica requerem a utilização de ferramentas com elevada resistência à compressão, elevados ângulos de saída e arestas de corte robustas. Baixas velocidades de corte e de avanço são características, e as ferramentas podem falhar por deformação plástica ou simplesmente um elevado nível de desgaste.

Finalmente, as ferramentas que lidam com materiais abrasivos devem, obviamente, ser criadas com substratos resistentes à abrasão e arestas de corte robustas. Baixas taxas de avanço e velocidades de corte, mas altas profundidades de corte são adequadas. Os mecanismos de desgaste incluem desgaste de flanco, craterização e desgaste de entalhe.

Quando o sistema é aplicado a um material específico, ele representa uma mistura das propriedades do material que enfatiza seus efeitos interrelacionados.

Ajustes no processo
Quando os resultados iniciais da usinagem não forem os esperados, essa abordagem integrada é útil, pois permite que as ferramentas e os parâmetros de corte sejam ajustados para modificar os resultados. Por exemplo, se for esperado que um material apresente altas tendências de aderência, assume-se que os cavacos serão longos. Entretanto, se os cavacos forem maiores ou menores que o esperado, isso é um sinal de que as tendências de aderência são maiores ou menores que o esperado. Visualizar o pentagrama, ou mesmo conhecer os indicadores das influências de desempenho das outras propriedades, pode ajudar um operador a ajustar os recursos da ferramenta e os parâmetros de corte às propriedades reais da peça. É como ajustar os elementos de uma receita de bolo quando o primeiro bolo não deu certo.

As classificações dos materiais das peças como estabelecidas pela ANSI nos Estados Unidos e a ISO na Europa, são úteis e estão baseadas na composição e na estrutura do material. Mas são somente os pontos de partida para o desenvolvimento dos processos de usinagem, pois as propriedades podem variar na mesma classificação, assim como em partes separadas do material. Por exemplo, o aço inoxidável é definido como uma liga de aço que possui, pelo menos, 12 por cento de cromo. Entretanto, existem aços inoxidáveis com maiores percentuais de cromo e, assim, variações na produção podem alterar a mistura. Mesmo que todos eles sejam aços inoxidáveis, quando as composições diferentes são processadas, o comportamento de corte será diferente porque as composições e as estruturas não são os mesmos.

Como o sistema de diagramas polares não classifica simplesmente os materiais, ele é uma fonte de dicas práticas e orientações que permitem que os operadores entendam o que vêem em termos de desempenho da ferramenta real e esperado. O sistema não descreve o material da peça como bom ou ruim, mas ilustra como combinações diferentes de propriedades podem alterar a interação entre a peça e a aresta de corte. A chave é encontrar a combinação de propriedades de ferramenta que melhor se adapta às propriedades do material em usinagem.

Conclusão
O objetivo da usinagem é produzir peças e ganhar dinheiro. Uma influência fundamental sobre o processo de usinagem são as propriedades do material da peça. Portanto, direta ou indiretamente, o custo final será influenciado pelos materiais em usinagem. Uma melhor compreensão das propriedades dos materiais leva a menos problemas e maior produtividade no processo de usinagem e, portanto, gera resultados de fabricação mais rentáveis e econômicos.

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