Você já se perguntou como os metais leves alimentam nosso mundo moderno? Este artigo se aprofunda no alumínio, explorando suas propriedades exclusivas e diversas aplicações. De aeronaves a foguetes espaciais, descubra como a escolha das ferramentas de corte corretas pode ser decisiva para seus projetos com alumínio. Prepare-se para aprimorar seus conhecimentos e habilidades no manuseio desse material versátil!
O alumínio, com uma densidade de 2,7 g/cm³ (aproximadamente um terço da densidade do aço ou do cobre), oferece uma excelente combinação de propriedades. Ele apresenta alta ductilidade e uma condutividade elétrica cerca de 61% da do cobre, ao mesmo tempo em que pesa apenas um terço do peso e, normalmente, é mais econômico.
Essas características tornam o alumínio ideal para diversas aplicações elétricas, incluindo linhas de transmissão de alta tensão, cabos e componentes nos setores de eletrônicos e telecomunicações.
Embora o alumínio puro tenha uma resistência relativamente baixa, as ligas de alumínio demonstram propriedades mecânicas significativamente aprimoradas, incluindo melhores relações resistência-peso e dureza. Essa versatilidade levou à sua ampla adoção em vários setores.
No setor de transportes, as ligas de alumínio são amplamente utilizadas em fuselagens e estruturas de aeronaves, painéis de carrocerias automotivas e componentes de chassis, vagões de trens de alta velocidade e superestruturas de embarcações marítimas. Sua combinação de peso leve e alta resistência contribui para melhorar a eficiência e o desempenho do combustível.
Além disso, o setor aeroespacial depende muito de ligas de alumínio avançadas para componentes essenciais em foguetes espaciais, naves espaciais e satélites. Essas ligas oferecem a resistência e a estabilidade térmica necessárias para suportar as condições extremas do espaço, enquanto sua baixa densidade ajuda a minimizar os custos de lançamento.
A seleção das ferramentas de corte apropriadas para alumínio é fundamental para obter alta precisão e qualidade superior nas operações de usinagem e, ao mesmo tempo, atender aos diversos requisitos de corte de várias classes de ligas de alumínio. A escolha correta da ferramenta não só garante o desempenho ideal, mas também afeta significativamente a eficiência geral e a relação custo-benefício do processo de fabricação.
As ferramentas de corte de nível profissional, quando adequadamente selecionadas, permitem a remoção precisa de material de acordo com as necessidades específicas do projeto, minimizando o desperdício e evitando possíveis perdas de material ou problemas de qualidade. Essa precisão é particularmente importante quando se trabalha com ligas de alumínio de alto valor ou componentes com tolerâncias rígidas.
Optar por ferramentas de corte de fabricantes confiáveis garante um desempenho consistente e eficiente em todo o processo de usinagem. Essas ferramentas são projetadas para oferecer funcionalidade confiável e manter a estabilidade sob várias condições de corte, reduzindo significativamente o risco de falhas inesperadas ou riscos à segurança. O design fácil de usar das ferramentas de nível profissional também simplifica a operação, permitindo um processo de produção mais otimizado e sem preocupações.
Além disso, as ferramentas de corte de alta qualidade são projetadas para suportar os desafios exclusivos da usinagem do alumínio, como a formação de arestas postiças e a geração de calor. Elas geralmente apresentam revestimentos ou geometrias especializadas que melhoram a evacuação de cavacos, reduzem o atrito e aumentam a vida útil da ferramenta - fatores críticos quando se trabalha com a tendência do alumínio de grudar nas arestas de corte.
Ao investir nas ferramentas de corte certas, os fabricantes podem garantir um desempenho consistente em uma ampla gama de ambientes de trabalho e demandas de aplicações. Essa versatilidade é essencial para as oficinas que lidam com diversos projetos de alumínio, desde componentes aeroespaciais até peças automotivas.
Nas seções a seguir, forneceremos orientações abrangentes para ajudá-lo a selecionar as ferramentas de corte mais adequadas para seus projetos específicos de usinagem de alumínio, considerando fatores como propriedades da liga, parâmetros de corte e requisitos de produção.
O alumínio se destaca por sua excepcional leveza e resistência superior à corrosão. Esse metal versátil possui várias características distintas que o tornam inestimável em diversas aplicações industriais:
1. Serras de corte
Uma serra é uma ferramenta de corte composta por uma estrutura e uma lâmina, comumente usada em trabalhos com madeira em canteiros de obras.
2. Cortes de aviação
Os cortadores de aviação são feitos de aço-liga resistente e são adequados para cortar materiais finos chapa metálicaalumínio, plástico e outros materiais. Eles vêm nas variedades de corte à esquerda, à direita e reto. A qualidade dos cortadores afeta o tipo de lâminas que eles têm.
3. Nibblers
Nibblers são ferramentas mecânicas comumente usadas na fabricação de modelos para cortar plástico ou metal em pontos de conexão, economizando tempo e esforço em comparação com a torção manual.
Eles têm um formato de tesoura com cabeças menores e mais grossas do que as tesouras comuns, semelhantes à metade traseira de um alicate. Alguns cortadores são projetados para cortar fios, enquanto outros têm a função de descascar fios.
1. Serras circulares
Uma serra circular é uma ferramenta dentada usada para corte de aço. As serras circulares para metal podem cortar aço com facilidade, assim como cortar 2×4 com um cano tradicional.
Em comparação com os produtos anteriores, as serras circulares usam materiais e desenhos de dentes exclusivos que permitem um corte de metal mais rápido, melhor manuseio de cavacos e nenhuma transferência de calor durante o processo de corte.
2. Quebra-cabeças
As serras tico-tico são máquinas de serrar nas quais a lâmina é montada em uma guia deslizante (ou rolo) que se move ao longo da trilha. O processo de corte é realizado por meio de um mecanismo de alimentação.
3. Serras de fita
As serras de fita são máquinas-ferramentas usadas para cortar diversos materiais metálicos. Elas são classificadas em tipos horizontais e verticais, de acordo com sua estrutura, e em semi-automáticas, totalmente automáticas e Tipos de CNC de acordo com sua função.
As serras de fita horizontais podem ser divididas em tipos de coluna dupla e de tesoura.
4. Roteadores CNC
Os roteadores CNC podem realizar entalhes em relevo, entalhes planos, entalhes ocos e outras tarefas em ligas de alumínio, cobre, madeira elétrica, madeira, jade, vidro, plástico, acrílico e outros materiais. Elas têm alta velocidade e precisão de entalhe.
1. Aço de alta velocidade (HSS)
O aço rápido é um tipo de aço de alta liga para ferramentas com elementos de liga adicionados, como tungstênio, molibdênio, cromo, vanádio etc. Ele tem alta resistência e tenacidade, além de certa dureza e resistência ao desgaste, o que o torna adequado para vários requisitos de ferramentas de corte.
O processo de fabricação das ferramentas de HSS é simples, e elas podem ser facilmente afiadas para obter uma borda de corte afiada.
Portanto, apesar do surgimento de vários novos tipos de materiais de ferramentas, as ferramentas de HSS ainda representam uma grande proporção no corte de metais. Elas são adequadas para a usinagem de metais não ferrosos e ligas de alta temperatura.
Devido às propriedades mencionadas acima, as fresas para risers de fundição, ranhuras transversais de fresagem e ranhuras de expansão de fresagem na usinagem de pistões usam material HSS, enquanto as brocas são feitas de HSS.
2. Carbeto
O metal duro é produzido por metalurgia do pó a partir de carbonetos metálicos difíceis de fundir (como WC, TiC, TaC, NbC etc.) e ligantes metálicos (como Co, Ni etc.).
Como os carbonetos têm altos pontos de fusão, alta dureza, boa estabilidade química e estabilidade térmica, a dureza, a resistência ao desgaste e a resistência ao calor dos materiais de carboneto são muito altas.
A dureza do metal duro comumente usada é de 89~93HRA, maior do que a do HSS (83~86,6HRA). A 800~1000℃, ele ainda pode realizar cortes. A 540℃, a dureza do metal duro é de 82~87HRA, e a 760℃, a dureza ainda pode ser mantida em 77~85HRA.
Portanto, o desempenho de corte do metal duro é muito melhor do que o do HSS, e a durabilidade da ferramenta pode ser melhorada várias vezes ou dezenas de vezes. Quando a durabilidade é a mesma, a velocidade de corte pode ser aumentada de 4 a 10 vezes.
Atualmente, nossa empresa usa principalmente YG6 e YGX na classe WC-TiC-Co de ferramentas de metal duro. O YT15 e outros metais duros da classe WC-TiC-Co são usados para usinagem de desbaste, semiacabamento e alguns processos de acabamento na usinagem de pistões.
3. Diamante policristalino (PCD)
Atualmente, o diamante é o material mineral mais duro conhecido, com a melhor condutividade térmica. Seu desgaste quando combinado com vários metais e materiais não metálicos sob atrito é de apenas 1/50 a 1/800 do desgaste do metal duro, o que o torna o material ideal para a fabricação de ferramentas de corte.
No entanto, os diamantes naturais de cristal único são usados apenas para usinagem de ultraprecisão de joias e determinados metais não ferrosos.
Embora a produção industrial de diamantes artificiais monocristalinos de partículas grandes tenha sido alcançada por empresas como a De Beers e a Sumitomo Electric, eles ainda não entraram em um estágio de aplicação extensiva.
A aresta de corte de uma ferramenta de diamante é extremamente afiada (o que é importante para cortar cavacos de seção transversal muito pequena), e a rugosidade da lâmina é pequena, com um baixo coeficiente de atrito. O processo de corte não produz facilmente pedaços de cavacos, resultando em alta qualidade de superfície durante a usinagem.
Na usinagem de metais não ferrosos, o rugosidade da superfície pode atingir Ra0,012µm, e a precisão da usinagem pode atingir IT5 ou superior.
Há três tipos de ferramentas de diamante: ferramentas de diamante natural de cristal único, ferramentas de diamante policristalino artificial integral e ferramentas de diamante composto.
Devido ao seu alto custo, as ferramentas de diamante natural são menos usadas na produção real. Os diamantes artificiais são formados pela transformação do grafite sob alta temperatura e pressão por meio da ação de catalisadores de liga.
As lâminas compostas de diamante são formadas pela sinterização de uma camada de diamante de aproximadamente 0,5 a 1 µm de espessura em uma camada de vidro. carboneto cimentado usando processos avançados, como alta temperatura e alta pressão.
Este material usa carboneto cimentado como substrato, e suas propriedades mecânicas, condutividade térmica e coeficiente de expansão são semelhantes aos do carbeto cimentado.
Os cristais de diamante no abrasivo de diamante policristalino artificial no substrato são dispostos irregularmente, e sua dureza e resistência ao desgaste são uniformes em todas as direções.
O diamante policristalino (PCD) é formado pela sinterização de microcristais de diamante artificial selecionados sob alta temperatura e pressão. Durante o processo de sinterização, a adição de aditivos permite a formação de pontes de ligação entre os cristais de diamante, compostos principalmente de TiC, SiC, Fe, Co e Ni.
Os cristais de diamante são firmemente incorporados em um forte esqueleto formado pela ponte de estrutura, que é mantida unida por ligações covalentes, melhorando consideravelmente a força e a resistência do PCD.
Sua dureza é de aproximadamente 9000HV, a resistência à flexão é de 0,21 a 0,48GPa, a condutividade térmica é de 20,9J/cm-sµ℃ e o coeficiente de expansão térmica é de 3,1×10-6/℃.
A maioria das ferramentas de corte de PCD usadas atualmente são compostas de PCD e substratos de metal duro, com uma camada de PCD sinterizada sobre o substrato de metal duro.
A espessura do PCD é geralmente de 0,5 mm a 0,8 mm e, devido à condutividade da ponte de ligação do PCD, é fácil cortá-lo em vários formatos e fabricar várias ferramentas, e o custo é muito menor do que o dos diamantes naturais.
O diamante policristalino (PCD) pode usinar vários metais não ferrosos e materiais não metálicos de alto desempenho extremamente resistentes ao desgaste, como alumínio, cobre, magnésio e suas ligas, carboneto, plásticos reforçados com fibra, materiais compostos à base de metal, materiais compostos à base de madeira, etc.
O tamanho médio das partículas de diamante no material da ferramenta de PCD é diferente, o que afeta seu desempenho de forma distinta.
Quanto maior for o tamanho da partícula, maior será sua resistência ao desgaste. Sob quantidades semelhantes de processamento de arestas de corte, quanto menor o tamanho da partícula, melhor a qualidade da aresta de corte.
As ferramentas PCD com tamanhos de partícula de 10 a 25 µm podem ser usadas para corte em alta velocidade de ligas de silício-alumínio com teor de Si de 12 a 18 a velocidades de 500 a 1500 m/min, enquanto as PCDs com tamanhos de partícula de 8 a 9 µm são usadas para processar ligas de alumínio com teor de Si inferior a 12%.
Para usinagem de ultraprecisão, devem ser selecionadas ferramentas de PCD com tamanhos de partículas menores. A resistência ao desgaste do PCD diminui em temperaturas acima de 700°C porque sua estrutura contém metal Co, que promove a "reação reversa" de transformação do diamante em grafite.
O PCD tem boa resistência à fratura e pode realizar cortes intermitentes. Ele pode fresar a liga de alumínio com teor de Si de 10% em uma alta velocidade de 2500 m/min.
A alta dureza, a resistência ao desgaste, a condutividade térmica e o baixo coeficiente de atrito dos materiais de diamante podem proporcionar alta precisão, alta eficiência, alta estabilidade e alta suavidade de superfície no processamento de metais não ferrosos e materiais não metálicos resistentes ao desgaste.
Ao cortar metais não ferrosos, a vida útil das ferramentas de corte de PCD é dezenas ou até centenas de vezes maior do que a do metal duro
4. Nitreto cúbico de boro (CBN)
O nitreto cúbico de boro (CBN) é um novo tipo de material sintético artificial desenvolvido na década de 1950. Ele tem alta dureza e boa resistência ao desgaste e é amplamente utilizado no setor de usinagem.
O nitreto de boro cúbico policristalino (PCBN) é produzido pela sinterização do micro-pó de CBN com uma pequena quantidade de fase aglutinante (Co, Ni ou TiC, TiN, Al203) e um catalisador em alta temperatura e pressão.
Tem alta dureza (perdendo apenas para o diamante) e resistência ao calor (1300~1500℃), excelente estabilidade química, estabilidade térmica muito maior (até 1400℃) e condutividade térmica do que as ferramentas de diamante, baixo coeficiente de atrito, mas menor resistência.
Em comparação com o diamante, as vantagens excepcionais do PCBN são a estabilidade térmica muito mais alta, de até 1200°C (o diamante é de 700~800°C), e pode suportar velocidades de corte mais altas; outra vantagem excepcional é sua grande inércia química, que não reage com metais ferrosos a 1200~1300°C e pode ser usada para processar aço.
Portanto, as ferramentas PCBN são usadas principalmente para o processamento eficiente de materiais pretos de difícil usinagem.
Além das características acima, as ferramentas PCBN também apresentam as seguintes vantagens:
(1) alta dureza, especialmente adequada para usinagem de aço temperado e endurecido com um HRC de 50 ou mais, ligas resistentes ao calor com um HRC de 35 ou mais, e ferro fundido cinzento com um HRC de 30 ou menos, que são difíceis de usinar com outras ferramentas;
(2) Em comparação com as ferramentas de metal duro, elas têm alta velocidade de corte e podem realizar cortes eficientes e de alta velocidade;
(3) boa resistência ao desgaste, alta durabilidade da ferramenta (10 a 100 vezes maior do que a das ferramentas de metal duro) e capacidade de obter uma melhor qualidade de superfície da peça de trabalho, alcançando a retificação por torneamento.
A desvantagem das ferramentas de PCBN é que sua resistência ao impacto é pior do que a das ferramentas de metal duro, portanto, ao usá-las, deve-se prestar atenção para melhorar a rigidez do sistema de processo e evitar o corte por impacto.
O PCBN pode ser transformado em lâminas integrais ou lâminas compostas combinadas com carboneto cimentado. As lâminas compostas de PCBN têm uma camada de PCBN de 0,5 a 1,0 mm de espessura sinterizada em um substrato de carboneto cimentado, que apresenta boa tenacidade, alta dureza e resistência ao desgaste.
O desempenho do PCBN depende principalmente do tamanho das partículas de CBN, do conteúdo de CBN e do tipo de aglutinante.
De acordo com sua estrutura, ele pode ser dividido em duas categorias: uma é diretamente ligada por cristais de CBN, com alto teor de CBN (acima de 70%), alta dureza e adequada para o processamento de corte de ligas resistentes ao calor, ferro fundido e metais sinterizados com ferro;
O outro é baseado em cristais de CBN, sinterizados por ligantes cerâmicos (principalmente TiN, TiC, TiCN, AlN, Al203, etc.), com baixo teor de CBN (abaixo de 70%), baixa dureza e adequado para a usinagem de corte de aço temperado e endurecido.
As ferramentas de nitreto de boro cúbico são usadas no torneamento de ranhuras de anéis de ferro fundido incrustados com anéis de pistão, bem como na usinagem de moldes de contato sólido de pistão.
5. Cerâmica
As principais vantagens das ferramentas de corte de cerâmica são: alta dureza e resistência ao desgaste, com uma dureza à temperatura ambiente de 91-95HRC; alta resistência ao calor, com uma dureza de 80HRC a uma alta temperatura de 1200℃; e redução mínima da resistência à flexão e da tenacidade em condições de alta temperatura.
Elas também apresentam alta estabilidade química, pois as cerâmicas têm baixa afinidade com metais, boa resistência à oxidação em altas temperaturas e não interagem com o aço, mesmo em temperaturas de fusão.
Portanto, há menos aderência, difusão, oxidação e desgaste na ferramenta de corte. Eles têm um coeficiente de atrito menor, dificultando a aderência dos cavacos à ferramenta e a formação de ninhos de cavacos.
As desvantagens das facas de cerâmica são a fragilidade, a baixa resistência e a tenacidade, com apenas 1/2 a 1/5 da resistência à flexão das ligas duras.
Portanto, parâmetros geométricos e quantidades de corte apropriados devem ser selecionados ao usá-los para evitar cargas de impacto que possam causar lascamento ou quebra da lâmina.
Além disso, as facas de cerâmica têm baixa condutividade térmica, apenas 1/2 a 1/5 da condutividade das ligas duras, com coeficientes de expansão térmica 10-30% mais altos do que os das ligas duras, o que resulta em baixa resistência a choques térmicos.
Atualmente, as ferramentas de corte de cerâmica ainda não foram aplicadas ao processamento de pistões de alumínio.
1. Alta dureza e resistência ao desgaste
A dureza é uma característica fundamental que materiais de ferramentas de corte deve possuir. Para cortar cavacos de uma peça de trabalho, a dureza da ferramenta deve ser maior do que a do material da peça de trabalho. A dureza da borda de corte das ferramentas usadas para cortar metais geralmente está acima de 60HRC. A resistência ao desgaste refere-se à capacidade de um material de resistir ao desgaste.
Em geral, quanto maior a dureza do material da ferramenta de corte, melhor sua resistência ao desgaste. Os pontos de dureza na estrutura (como carbonetos e nitretos) com maior dureza, mais quantidade, partículas menores e distribuição mais uniforme têm melhor resistência ao desgaste.
A resistência ao desgaste também está relacionada à composição química do material, à força, à microestrutura e à temperatura da área de atrito. A resistência ao desgaste WR pode ser expressa pela fórmula:
WR = KIC0.5E-0.8H1.43
Onde H é a dureza do material (GPa). Quanto maior a dureza, melhor a resistência ao desgaste.
KIC é a resistência à fratura do material (MPa-m½). Quanto maior for o valor de KIC, menor será a fratura do material causada por estresse e melhor será a resistência ao desgaste.
E é o módulo de elasticidade do material (GPa). Quando E é pequeno, ele ajuda a produzir tensões mais baixas causadas por microdeformações devido aos grãos abrasivos, o que leva a uma maior resistência ao desgaste.
2. Força e resistência adequadas
Para evitar que a lâmina se lasque ou quebre durante o uso quando submetida a grandes pressões, impactos e vibrações durante o processo de corte, os materiais da ferramenta de corte devem ter resistência e tenacidade suficientes.
3. Alta resistência ao calor (estabilidade térmica)
A resistência ao calor é o principal indicador para medir o desempenho de corte dos materiais de ferramentas de corte. Ela se refere à capacidade de um material de ferramenta de corte de manter um determinado nível de dureza, resistência ao desgaste, força e tenacidade em condições de alta temperatura.
Os materiais das ferramentas de corte também devem ter a capacidade de resistir à oxidação, à ligação e à difusão em altas temperaturas, o que significa que devem apresentar boa estabilidade química.
4. Boas propriedades termofísicas e resistência a choques térmicos
Quanto melhor for a condutividade térmica do material da ferramenta de corte, mais fácil será a difusão do calor de corte para fora da área de corte, o que ajuda a reduzir a temperatura de corte.
Durante o corte intermitente ou quando se usa um fluido de corte, a ferramenta geralmente sofre um choque térmico severo (mudanças rápidas de temperatura), resultando em rachaduras no interior da ferramenta que podem causar quebra.
A capacidade do material de resistir a choques térmicos pode ser expressa por seu coeficiente de resistência a choques térmicos R:
R = λσb(1-µ)/Eα
Em que λ é o coeficiente de condutividade térmica, σb é a resistência à tração, µ é o coeficiente de Poisson, E é o módulo de elasticidade e α é o coeficiente de expansão térmica.
Um coeficiente de condutividade térmica mais alto facilita a dissipação do calor, reduzindo o gradiente de temperatura na superfície da ferramenta.
Um coeficiente de expansão térmica menor reduz a deformação térmica, e um módulo de elasticidade menor pode diminuir a magnitude das tensões alternadas resultantes da deformação térmica, ajudando assim a melhorar a resistência do material ao choque térmico.
Materiais de ferramentas de corte com boa resistência ao choque térmico podem ser usados fluidos de corte durante os processos de usinagem.
5. Boa processabilidade
Para facilitar a fabricação de ferramentas, os materiais das ferramentas de corte exigem boa processabilidade, como propriedades de forjamento, propriedades de tratamento térmico, propriedades de deformação plástica em alta temperatura e propriedades de processamento de retificação.
6. Eficiência econômica
A eficiência econômica é um dos indicadores importantes dos materiais de ferramentas de corte. Embora os materiais de ferramentas de corte de alta qualidade possam ter altos custos unitários, sua vida útil mais longa pode não resultar necessariamente em altos custos por componente.
Portanto, ao selecionar materiais para ferramentas de corte, seu impacto econômico deve ser considerado de forma abrangente.
Os perfis de alumínio, caracterizados por sua menor dureza em comparação com o aço, oferecem um corte relativamente fácil. Entretanto, essa propriedade também aumenta sua tendência de aderir às ferramentas de corte. Para garantir cortes limpos e prolongar a vida útil da lâmina, use lâminas com ponta de carboneto com um alto número de dentes (60-80 dentes para uma lâmina de 10 polegadas) e um ângulo de gancho negativo. Esses recursos evitam a soldagem de cavacos e reduzem a formação de rebarbas. Inspecione e substitua as lâminas regularmente para manter a eficiência e a qualidade do corte.
A lubrificação adequada é fundamental ao cortar alumínio para evitar a formação de rebarbas, melhorar o acabamento da superfície e prolongar a vida útil da ferramenta. Use um fluido de corte de alumínio específico ou um lubrificante sintético de alta qualidade. Para obter os melhores resultados, considere um sistema de lubrificação de quantidade mínima (MQL), que fornece uma aplicação precisa de lubrificante sem desperdício excessivo. Essa abordagem não apenas melhora a qualidade do corte, mas também apoia práticas ambientalmente corretas.
Embora a maioria dos cortes de perfis de alumínio industrial seja perpendicular, os projetos complexos geralmente exigem cortes angulares, como as mitras de 45 graus. Para obter um controle preciso dos ângulos, utilize uma máquina de corte CNC equipada com uma mesa giratória ou uma serra de esquadria dedicada com leitura digital dos ângulos. Ao programar os cortes, leve em conta a espessura do material e o corte da lâmina para garantir a precisão dimensional. Para cortes angulares repetitivos, considere a criação de gabaritos ou acessórios personalizados para manter a consistência em várias peças.
A segurança na produção é uma responsabilidade coletiva que se estende por toda a fábrica. Ela exige o cumprimento rigoroso dos protocolos e princípios de processamento, treinamento regular de segurança dos funcionários e medidas proativas para reduzir riscos desnecessários.
Devido ao peso substancial dos perfis de alumínio, as operações de corte devem ser realizadas por uma equipe de pelo menos duas pessoas para garantir um manuseio seguro e processos de corte suaves. Essa abordagem minimiza o risco de lesões por esforço e melhora a eficiência operacional geral.