Dominando a seleção de materiais para torneamento CNC: escolha os materiais certos para seu projeto de usinagem CNC

Todo projeto de torneamento CNC requer a seleção correta do material, sem dúvida uma das decisões mais cruciais. As propriedades do produto final, incluindo custo, desempenho, durabilidade e precisão, todas dependem dessa decisão. Compreensivelmente, há inúmeras alternativas para escolher, começando com metais como alumínio e aço inoxidável e estendendo-se a plásticos de engenharia como PEEK e Delrin. Este blog atuará como um guia detalhado que ajudará você a selecionar o material apropriado para usinagem CNC. Estabeleceremos os fatores que precisam ser analisados, por exemplo, propriedades mecânicas, usinabilidade, requisitos de aplicação e custo, para que as metas do projeto possam ser atendidas. Este artigo tem como objetivo equipar iniciantes e maquinistas mais experientes que estão entrando no reino do torneamento CNC pela primeira vez com dicas práticas para facilitar o processo de seleção de material.

Quais são os materiais mais comuns usados ​​em torneamento CNC?

Os engenheiros geralmente usam os seguintes materiais em torneamento CNC:

• Alumínio: Fácil de processar, altamente resistente à corrosão e leve, o que o torna um material adequado para uso em produtos aeroespaciais, automotivos e de consumo.
• Aço: Forte e durável, disponível em vários graus, é frequentemente usado em componentes e máquinas industriais.
• Aço inoxidável: forte e resistente à corrosão, é amplamente utilizado nas indústrias médica, de processamento de alimentos e marítima.
• Latão: Altamente usinável e de baixo atrito, o que o torna uma excelente escolha para peças de precisão; é comumente usado em componentes e conexões elétricas.
• Plásticos, como POM, Nylon: usados ​​em aplicações que exigem leveza, resistência química e isolamento elétrico.

Requisitos específicos do projeto, como resistência, peso, propriedade térmica e custo, determinam a decisão de usar um determinado material.

Materiais metálicos para usinagem CNC: Tipos e aplicações

A tecnologia CNC pode ser aplicada à maioria dos materiais metálicos devido a seus atributos específicos, que podem ser usados ​​em aplicações específicas. Abaixo estão descritos alguns dos materiais metálicos comumente usados ​​e seus benefícios usando usinagem CNC.

1. Alumínio: Este metal está entre os mais utilizados devido à sua capacidade de resistir à corrosão, alta usinabilidade, baixa densidade e facilidade de moldagem, características úteis para as indústrias automobilística, aeroespacial e de eletrônicos de consumo. alumínio 6061 é uma classe especializada amplamente utilizada, apresentando uma resistência à tração de quase 45000 psi, o que facilita sua inclusão em peças estruturais e itens usinados de carcaças.
2. Aço inoxidável: O aço inoxidável é essencial devido à sua resistência e durabilidade, bem como à sua não corrosão e temperatura relativamente alta. Características higiênicas e resistentes à corrosão são frequentemente necessárias em aparelhos médicos, equipamentos de processamento de alimentos e até mesmo aplicações marítimas que utilizam aço inoxidável grau 304 e 316.
3. Aço (aço macio e aço para ferramentas): usado na construção, aço macio e outros setores industriais, máquinas pesadas e ferramentas industriais como o aço são muito procurados. Custo-eficiente. Alguns exemplos comuns incluem aço macio grau 1018 usado em construções mecânicas ou aços para ferramentas A2 e D2 por sua dureza e resistência excepcionais ao desgaste e ferramentas de corte e moldes ideais para equipar.
4. Titânio: Os setores aeroespacial, de veículos de alto desempenho e até mesmo médico dependem do titânio porque ele tem a maior relação resistência-peso. Grau de Titânio 5 ou (Ti-6Al-4V) é uma liga comumente usada porque possui mais de 130,000 psi de resistência à tração. Esta liga específica é popular na soja devido ao seu amplo uso em produtos biocompatíveis.
5. Cobre e Latão: O cobre é usado em muitos componentes, como circuitos elétricos e trocadores de calor, devido à sua excelente condutividade térmica e elétrica. Outro metal amplamente usado é o latão devido à sua baixa fricção e resistência à corrosão, tornando-o útil para válvulas, acessórios decorativos e engrenagens.
6. Inconel e Superligas: Pontos fortes em áreas específicas são mineração, aeroespacial e energia; essas aplicações permitem que eles cubram condições extremas, como aquecimento e corrosão. Modelos específicos são usados ​​dependendo do ambiente. O Incoel 718 é bem conhecido por sua capacidade de cobrir altas temperaturas de 1,300°F (700°C), ao mesmo tempo em que tem forte resistência estrutural.

Vários fatores afetam a decisão de escolher quais metais específicos usar, como o desempenho mecânico do sistema, propriedades térmicas e até mesmo o peso. À medida que as tecnologias de usinagem CNC se tornam mais avançadas e os desafios modernos de engenharia se tornam mais complexos, um processamento de metal mais preciso e eficiente é possível.

Materiais plásticos para torneamento CNC: vantagens e limitações

O uso de materiais plásticos para torneamento CNC tem seus benefícios, mas essas considerações determinam se o torneamento de plástico é apropriado para cada aplicação.

Vantagens dos materiais plásticos para torneamento CNC

Acima de tudo, o principal benefício do uso de materiais plásticos é sua baixa densidade em relação aos metais, o que é essencial para aplicações que priorizam a economia de peso. Por exemplo, os plásticos PEEK, PVC e Delrin têm baixo coeficiente de atrito dielétrico, contribuindo para uma boa usinabilidade e desempenho em conjuntos de peças móveis. Além disso, os plásticos são imunes à corrosão e à maioria dos danos químicos, o que cria condições em que os metais podem sofrer. Plásticos isolantes especiais podem até mesmo operar em ambientes de alto desempenho, incluindo indústrias médicas ou aeroespaciais. Alguns plásticos de engenharia, como PTFE e PEEK, têm tolerância a altas temperaturas; o PEEK permanece eficaz até 250 graus Celsius (482 graus Fahrenheit).

Além disso, os materiais plásticos são considerados alternativas econômicas em prototipagem e produção em pequena escala devido aos seus menores custos de material, usinabilidade aprimorada e ciclos de usinagem mais curtos quando comparados aos metais. Além disso, sua propriedade não condutiva os torna úteis nas indústrias eletrônica e elétrica. Além disso, o desenvolvimento de tecnologias CNC nos últimos anos multiplicou o número de materiais, incluindo plásticos, que podem ser usados ​​nesses processos e também aumentou as tolerâncias e a precisão alcançáveis, tornando possível atingir formas complexas com requisitos rigorosos.

Desvantagens dos materiais plásticos para torneamento CNC

Mesmo com esses atributos positivos, os materiais plásticos têm certas desvantagens básicas. Sua resistência mecânica e rigidez são menores do que as dos metais em geral, tornando-os inadequados para qualquer peça de suporte de carga em aplicações mais exigentes. Os plásticos também são mais suscetíveis a mudanças de temperatura, e a maioria dos materiais apresenta derretimento ou algum tipo de deformação em temperaturas mais baixas do que os metais. Por exemplo, enquanto o PEEK é favorecido em aplicações de alta temperatura, outros plásticos, como polipropileno ou náilon, tendem a ficar macios em temperaturas acima de 100 graus Celsius.

Além disso, as dimensões também podem mudar durante a usinagem CNC devido às propriedades de expansão térmica dos plásticos, o que tende a ser problemático. Além disso, alguns plásticos podem se desgastar muito rapidamente devido ao abuso da máquina, impactando sua vida útil em locais com alto atrito ou choque. Além disso, certos plásticos são particularmente sensíveis a fatores externos, especialmente em relação à luz UV, o que prejudica ainda mais sua confiabilidade para uso externo ao longo do tempo.

Resumo da adequação do material

Os processos de fabricação se aplicam similarmente a materiais plásticos de baixa e alta densidade. Portanto, o que quer que seja esperado que seja feito com componentes usinados deve ser cuidadosamente considerado, observando os fatores mecânicos, térmicos, químicos e ambientais e classificando os plásticos adequadamente. Por outro lado, engenheiros inovadores não verão os desafios impostos pelos plásticos como obstáculos, em vez disso, eles verão as propriedades únicas desses materiais e as combinarão com as limitações para resolver os desafios apresentados pela fabricação moderna.

Materiais exóticos: quando e por que usá-los em torneamento CNC

O torneamento CNC emprega materiais exóticos para desempenho mais rigoroso ou requisitos operacionais do que materiais padrão. Compostos de titânio, Inconel e carbono estão entre os materiais exóticos escolhidos por suas qualidades únicas, como relação resistência-peso, corrosão e resistência térmica. Eles são amplamente usados ​​na construção de peças nas indústrias aeroespacial, médica e de energia, onde condições extremas ou usinagem de altíssima precisão são necessárias. No entanto, a usinagem de materiais exóticos é geralmente mais difícil devido à sua dureza ou outras características únicas, portanto, ferramentas, técnicas e planejamento especializados são frequentemente necessários para atingir resultados ideais.

Como escolher o material certo para meu projeto de torneamento CNC?

Fatores a serem considerados na seleção de materiais de usinagem CNC

Propriedades mecânicas

Em qualquer trabalho de torneamento CNC, avaliar as propriedades mecânicas como resistência ao impacto, tenacidade e ductilidade do material escolhido é essencial. É por isso que as ligas de alumínio são preferidas para peças com formas complexas – elas são leves e resistentes à corrosão. Por outro lado, o titânio tem a melhor relação resistência-peso e pode sobreviver em ambientes severos.

Estabilidade térmica

Essa propriedade é vital para peças que são cortadas em altas velocidades ou que, devido ao método de processamento, podem ser submetidas a altas temperaturas. Alguns materiais, como aço inoxidável e tungstênio, não mudam de forma, o que ajuda a reter as dimensões funcionais e a precisão da peça durante e após a carga térmica ser aplicada. Por exemplo, o aço inoxidável pode suportar temperaturas de mais de 1400 graus Celsius, tornando-o altamente procurado em indústrias que exigem resistência térmica.

Custo e Disponibilidade

Dependendo dos requisitos específicos do material, o custo pode diferir significativamente. Materiais de fabricação de baixo custo, como aço macio ou plásticos ABS, podem ser usados ​​para protótipos de engenharia. Ainda assim, eles também podem ser caros a longo prazo em relação à fibra de carbono ou ligas de alta qualidade. Além disso, a facilidade com que um material específico pode ser obtido localmente afeta os cronogramas e o escopo do projeto.

Usinabilidade

Uma das características de design à qual a usinabilidade corresponde é a facilidade com que um material pode ser cortado, perfurado ou moldado com perda mínima da geometria da ferramenta. Por exemplo, os valores de latão e alumínio são muito altos, então os ciclos de produção são mais rápidos e as ferramentas são menos danificadas. Por outro lado, tipos exóticos de Inconel ou aço endurecido podem ter que ser usinados com ferramentas de corte avançadas e em baixas velocidades.

Resistência à corrosão e ao desgaste

Para componentes que operam em ambientes muito agressivos, a resistência à corrosão se torna um parâmetro decisivo ao escolher entre uma gama de materiais adequados para usinagem CNC. Metais, compostos de polímeros, aço inoxidável, titânio e certos plásticos fornecem excelente resistência química e à corrosão. Da mesma forma, aço ferramenta e cerâmica são mais adequados para aplicações onde o atrito mecânico repetido é um problema.

Requisitos da aplicação 

A seleção de materiais é determinada apropriadamente, uma vez que o uso final da peça fabricada por CNC já foi especificado. Componentes aeroespaciais exigem materiais leves e de alta tensão, como titânio e alumínio. Por outro lado, o aço composto de plástico pode ser mais econômico para a indústria automotiva. Dispositivos médicos geralmente devem ser feitos de materiais resistentes, leves, mas biocompatíveis, como PEEK, titânio e outras divisões para atender a regras rígidas de segurança e regulatórias.

Impacto Ambiental

O objetivo da sustentabilidade durante a seleção de materiais está ganhando importância. Alguns materiais, como alumínio ou os chamados polímeros "verdes", são reprocessados, o que tem um efeito menos negativo no meio ambiente. Às vezes, espera-se que materiais específicos sejam escolhidos que sejam mais ecológicos em sua produção e descarte em nível corporativo e comunitário.

Um exame detalhado desses fatores permite a escolha de materiais que satisfarão as metas de desempenho, orçamento e operação e que serão confiáveis ​​e úteis na estrutura examinada por um longo tempo. Hoje, graças ao progresso na engenharia de materiais e ferramentas de usinagem CNC, uma ampla gama de materiais para aplicações altamente especializadas e diversas estão acessíveis aos fabricantes.

Balanceamento das propriedades do material com os requisitos de usinagem

Ao selecionar materiais para um dado processo de usinagem ou fabricação, considero os aspectos mecânicos e funcionais e a capacidade do processo de usinagem. Fatores como dureza, ductilidade, condutividade térmica e usinabilidade de um material fornecem insights sobre seu comportamento durante a usinagem e na aplicação final. Por meio da análise de manufaturabilidade, equilibro adequadamente desempenho e eficiência de custo.

Considerações de custo na escolha de material para torneamento CNC

De acordo com indicadores selecionados para operações de torneamento CNC, os custos são um dos fatores predominantes em relação aos orçamentos para projetos e metas de qualidade e desempenho. Muitas variáveis ​​fundamentais, como disponibilidade, complexidade do processamento e propriedades físicas do material, definem o preço de mercado para matérias-primas. Por exemplo, metais comuns, como alumínio ou aço macio, tendem a ser mais baratos e, como resultado, são mais adequados para protótipos e execuções de produção em massa. Ligas avançadas, no entanto, como titânio ou aço inoxidável, podem ser muito mais caras devido à alta resistência e resistência à corrosão, mas também são muito difíceis de usinar.

O custo dos materiais deve, por um lado, incluir os próprios materiais e, por outro, despesas gerais controláveis, como desperdício. Como é durante o torneamento controlado mecanicamente de alta precisão, algum refugo de material, especialmente metais mais problemáticos ou formas complicadas, será produzido. Por outro lado, materiais com maiores taxas de facilidade de usinagem, como alumínio 6061 e latão de usinagem livre 80-20, tendem a reduzir tanto o tempo gasto para usinagem quanto a taxa de desgaste da ferramenta, o que reduz essas despesas também.

Além disso, estudar cadeias de suprimentos para materiais dentro da região pode ajudar a reduzir custos. Por exemplo, as despesas podem ser menores e os prazos de entrega mais curtos quando os materiais estão próximos. No entanto, outras indústrias, como aeroespacial ou dispositivos médicos, geralmente exigem materiais como ligas à base de níquel, que são muito caras devido à sua baixa durabilidade e desempenho.

As informações dos estudos mais recentes indicam que os custos podem ser reduzidos usando alumínio 7075-T6, que custa cerca de US$ 3.50 a libra, em vez de graus de titânio como 6A1-4V, com um custo de US$ 20 a libra. Todos esses parâmetros devem ser ajustados com as necessidades operacionais e o resultado final, garantindo que o processo de seleção de material seja eficiente em termos de custo sem sacrificar as metas e a execução do projeto.

Quais são os prós e contras dos diferentes materiais para torneamento CNC?

Comparando materiais metálicos, plásticos e compostos

Torneamento CNC: Princípios e atividades comuns

Os metais que analisamos acima têm uma vantagem distinta: sua relação resistência-peso permite um desempenho mais robusto em ambientes exigentes, e uma máquina CNC com ligas metálicas normalmente requer processos intensivos em energia e, portanto, caros, que são difíceis de justificar em termos econômicos. Sem dúvida, esses problemas afetam a produtividade e a sustentabilidade econômica de forma mais negativa.

Plásticos

Plásticos podem ser muito úteis para componentes não condutores ou resistentes à corrosão que exigem que as empresas usem materiais leves. Plásticos de grau CNC como acetal e PEEK têm excelente usinabilidade e características adequadas de peso para resistência. Por exemplo, Delrin tem uma resistência à tração de quase 10000 psi, tornando-o adequado para engrenagens e buchas. PEEK tem uma resistência à tração de 14000 psi e pode suportar temperaturas de até 500 graus Fahrenheit. Essa propriedade o torna ideal para dispositivos aeroespaciais e médicos. Normalmente, o custo dos materiais e da usinagem de plástico é mais barato do que metais e é mais favorável. No entanto, fraquezas na resistência e rigidez para componentes estruturais específicos podem ser um obstáculo.

Composites

Polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRPs) e compósitos de fibra de vidro são materiais compósitos preferidos para aplicações de alto desempenho devido às suas excelentes métricas de relação resistência-peso. O CFRP tem resistência à tração de mais de 150000 psi, sendo 5 vezes mais leve que o aço. Esses materiais podem ser empregados sem esforço nas indústrias de aviação, automobilismo e energias renováveis. Apesar dos benefícios dos compósitos, eles são caros de produzir e precisam de especialistas para desenvolver ferramentas para eles, o que pode aumentar os custos de usinagem. Além disso, sua capacidade de trabalhar em diferentes direções traz uma série de problemas para design e usinagem.

A realização de uma análise completa das propriedades do material, como resistência à tração, densidade, custo e usinabilidade, permite que os engenheiros decidam sobre a seleção de torneamento CNC para um determinado projeto.

Desafios específicos de materiais no processo de usinagem CNC

1. Ligas de Alumínio

Os materiais mais preferidos para processos de usinagem CNC são ligas de alumínio. Sua preferência é creditada à sua baixa densidade, ótima resistência à oxidação e excelentes propriedades de usinagem. O ponto de fusão das ligas de alumínio é bastante baixo, o que apresenta um problema durante a usinagem, pois o calor criado durante o processo de corte pode derreter as bordas da ferramenta de corte, levando o material a aderir à ferramenta em vez de ser cortado ou soldado por cavacos. Isso pode criar ainda mais problemas na forma de maior desgaste da ferramenta e problemas de qualidade da superfície. Pesquisas indicam que esse problema pode ser resolvido até certo ponto otimizando as velocidades de corte e empregando ferramentas de corte revestidas de carboneto. Além disso, como o alumínio tem alta condutividade térmica, resfriamento eficaz e processos de usinagem produtivos são características importantes de um desempenho confiável e forte durante a usinagem de ligas à base de alumínio.

2. Aço Inoxidável

Devido às suas incríveis características mecânicas, a maioria dos atributos do aço inoxidável sofre adversidades no processo de usinagem CNC. Tais atributos incluem a forte usinabilidade, mas as maravilhosas características fabricadas dos aços inoxidáveis ​​o tornam contraintuitivo, pois são necessárias fortes forças de corte, e o desempenho das ferramentas é geralmente inadequado. Além disso, há um fenômeno de resistência que o aço inoxidável possui, o que significa que, à medida que o processo de usinagem de corte avança, o aço inoxidável se torna mais resistente no nível da superfície. Ainda mais, a pesquisa indica que taxas de alimentação inadequadamente otimizadas, combinadas com a aplicação correta de fluidos de corte, fornecem ao operador facilidade e aumentam a vida útil da ferramenta, mantendo as tolerâncias adequadas.

3. Ligas de Titânio

Com resistência superior e estabilidade térmica, o titânio é amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial e médica. No entanto, sua condutividade mecânica e térmica e suas tendências de retorno elástico após o corte tornam a usinagem muito mais difícil. O superaquecimento da ferramenta é causado pela baixa condutividade térmica do titânio, o que resulta na necessidade de sistemas de resfriamento mais fortes e velocidades de corte mais lentas. Pesquisas sugerem que esses problemas podem ser resolvidos aplicando revestimentos avançados de TiAlN ao usar ferramentas afiadas com ângulos de corte baixos.

4 Compósitos

Polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) são compostos amplamente utilizados nas indústrias espacial e automobilística devido à sua admirável relação resistência-peso. Esses materiais são muito mais abrasivos do que outros devido às fibras incorporadas e, portanto, fazem com que a usinagem CNC se torne um desafio com alto potencial de desgaste prematuro. Além disso, as estruturas compostas a serem usinadas têm diferentes camadas que dificultam a obtenção de um acabamento mais fino. A implementação de ferramentas de PCD (diamante policristalino) com usinagem de alta velocidade provou minimizar o desgaste e aguçar a precisão do corte, aprimorando o processo geral.

5. Metais Duros 

Inconel e aços endurecidos suportam algumas das condições mais difíceis, como em lâminas de turbina ou componentes automotivos, onde versatilidade e temperaturas extremas são catalisadores. Esses metais são bem conhecidos por serem alguns dos mais difíceis de usinar devido à sua capacidade de suportar deformação. Como resultado, a usinagem CNC nesses tipos de metais tende a colocar uma quantidade substancial de estresse mecânico na ferramenta e na máquina. Pesquisas apontam para a utilidade de ferramentas de corte de cerâmica ou CBN (nitreto cúbico de boro) e a reforma efetiva dos parâmetros de corte.

Engenheiros estão continuamente agilizando processos de usinagem de metal duro e implementando avanços na ciência de materiais para superar o desafio de melhorar a eficiência e a qualidade final dos produtos. Essas soluções "fáceis" para problemas tão complexos podem auxiliar no monitoramento preciso dos parâmetros de usinagem, estratégia de trajetória de ferramenta e até mesmo as técnicas de resfriamento necessárias.

Seleção de materiais para desempenho e longevidade ideais

Para desempenho e vida útil de serviço ideais, escolher materiais sabiamente requer entender o ambiente operacional da aplicação, condições de carga e duração esperada do serviço. Algumas das considerações mais aparentes incluem as propriedades mecânicas de um material, como resistência, ductilidade, resistência ao desgaste e resistência à corrosão, calor e fadiga. Materiais economicamente e ambientalmente amigáveis ​​também devem ser colocados em tal atenção que o custo seja equilibrado com o desempenho. Para fazer seleções para implementações de projetos tão precisas e competentes quanto possível, folhas de dados de materiais, documentos de padrões e o conselho de especialistas devem sempre ser consultados.

Como a seleção de materiais afeta os processos de torneamento CNC?

Efeitos da escolha do material em ferramentas de corte e peças de máquinas

A escolha do material tem um efeito significativo no desgaste da ferramenta, na eficiência do processo de usinagem e na vida operacional das peças da máquina durante as operações de torneamento CNC. Aumentar a tenacidade dos materiais usináveis, por exemplo, usando aço inoxidável ou titânio, aumenta a taxa de desgaste da ferramenta de corte, que é causada por maiores resistências de corte da ferramenta. Por outro lado, materiais usináveis ​​como alumínio, que são mais macios do que ferramentas de corte, tendem a se desgastar menos, mas podem precisar de revestimentos adicionais nas ferramentas para fins de adesão. Alguns materiais podem ser altamente abrasivos e causar desgaste nas peças e ferramentas usináveis, o que, se não for controlado, pode danificar a máquina. Deve-se garantir que os materiais selecionados para a peça possam ser usinados pela máquina disponível e que as ferramentas de corte possam suportar os materiais da peça de trabalho. Essas medidas ajudam a atingir o desempenho desejado a um custo razoável.

Ajuste de parâmetros de usinagem CNC para diferentes materiais

Ao trabalhar com materiais diferentes, é essencial alterar parâmetros como profundidade de corte, taxa de avanço, velocidade de corte e aplicação de refrigerante para permitir corte de precisão enquanto controla o desgaste da ferramenta. Por exemplo, materiais mais rigorosos como titânio ou aço inoxidável devem ser cortados em velocidades mais baixas para evitar superaquecimento e estender a vida útil da ferramenta. Para ligas de titânio, velocidades de corte de 30-50 metros por minuto (m/min) são padrão; o aço inoxidável tem uma tolerância maior de 60-120 m/min, dependendo do grau e da ferramenta.

Por outro lado, materiais mais macios como o alumínio podem ser cortados em velocidades muito maiores, às vezes tão altas quanto 600-1,000 m/min se ferramentas de carboneto forem usadas. Assim como a velocidade de corte, a taxa de avanço também deve ser controlada, com materiais mais rígidos precisando de taxas de avanço mais lentas para manter suas dimensões e acabamento de superfície. Para aço inoxidável, taxas de avanço entre 0.08-0.3 milímetros por revolução (mm/rev) são padrão, enquanto o alumínio pode ser alimentado a taxas de 0.1-0.5 mm/rev.

Outra variável crucial é a profundidade do corte; materiais mais rígidos precisam de profundidades de corte mais finas para evitar danos à ferramenta de corte. Por exemplo, passes de desbaste em aço podem utilizar profundidade de 2-5 mm, enquanto profundidades maiores são prontamente aceitas por alumínio e plásticos.

Na usinagem, o refrigerante tem uma função essencial de gerenciamento térmico. Para ligas mais complexas ou resistentes ao calor, sistemas de refrigeração por inundação ou sistemas de refrigeração de alta pressão são utilizados em CNC para dissipar o calor e aumentar a vida útil da ferramenta. Para materiais não ferrosos como alumínio, refrigerantes de névoa ou ar podem reduzir a adesão de cavacos e preservar o revestimento da ferramenta.

Utilizar materiais e configurações apropriados possibilita obter alta precisão na usinagem, garantindo ciclos mais produtivos, reduzindo custos de substituição de ferramentas e eficiência geral na usinagem CNC.

Técnicas de acabamento específicas de material em torneamento CNC

A qualidade geral dos acabamentos em torneamento CNC é muito afetada pelo material usado e pela técnica de acabamento apropriada. Isso ocorre porque diferentes materiais têm características distintas que determinam o tipo de corte, ferramentas e procedimentos de acabamento usados. Abaixo estão algumas técnicas de acabamento específicas do material:

Técnicas de Acabamento para Aço

Devido à resistência e dureza do aço, sua usinagem econômica frequentemente utiliza ferramentas de corte duráveis ​​de carboneto ou cerâmica. No acabamento de aços de liga, vários métodos podem ser empregados, incluindo abrasivos de granulação fina e compostos de polimento para suavizar a superfície. Além disso, brunimento ou retificação podem ser usados ​​principalmente para aplicações que exigem tolerância apertada. Alguns estudos mostram que trepidação e outros defeitos de superfície são menos prevalentes quando baixas velocidades de corte e altas taxas de avanço são usadas. Com efeito, fidelidade superior e precisão dimensional são alcançadas.

Técnicas de acabamento de alumínio

Sendo um metal relativamente mais macio, o alumínio às vezes é propenso a problemas como arranhões na superfície e desenvolvimento de cavacos durante a usinagem. Selecionar ferramentas de corte adequadamente projetadas com lâminas polidas para reduzir a formação de arestas postiças é essencial. Ferramentas revestidas de carbono tipo diamante são mais lubrificantes, melhorando o acabamento da superfície nas arestas. O microlixamento, ou tombamento vibratório, é realizado para acabamento, produzindo valores de Ra tão baixos quanto 0.2 µm, o que é adequado para componentes aeroespaciais e automotivos.

Técnicas de acabamento de titânio

Devido à baixa condutividade térmica do titânio em relação à sua alta relação resistência-peso, é difícil escrever e cortar. Geralmente é recomendado para uma melhor área de superfície para operações multi-passo, embora cortes leves e baixas velocidades durante o corte também sejam bastante eficazes. Carbonetos revestidos são boas ferramentas, pois podem suportar o calor produzido durante o corte. Como uma etapa pós-acabamento, técnicas de jateamento de esferas ou eletropolimento melhoram ainda mais o acabamento, eliminando superfícies menores indesejadas e aumentando a resistência à oxidação.

Métodos para Acabamento de Plásticos

Como materiais não metálicos, medidas específicas sobre velocidades de corte e afiação da ferramenta devem ser utilizadas para evitar derretimento e deformação da peça de trabalho. O método de acabamento preferido de plásticos de grau óptico é o torneamento de diamante de ponto único, com acabamentos de superfície de Ra abaixo de 0.1 µm. O polimento – com alguns compostos especiais – é outro meio possível para melhorar a clareza e a suavidade ao usar máquinas CNC para entalhe de plástico em eletrônicos e bens de consumo.

Administração de ferramentas Revestimento

Avanços em revestimentos de ferramentas de alto desempenho com acabamento CVD TiAlN têm mostrado grande potencial ao melhorar o acabamento da ferramenta de uma gama inteira de materiais. Além disso, o gerenciamento eficaz da aplicação de refrigerante durante os processos de acabamento pode melhorar os fatores de distorção térmica em até 30%, resultando em maior qualidade de acabamento de superfície e desgaste reduzido da ferramenta.

Isso pode ser alcançado aplicando técnicas de acabamento específicas para materiais e tecnologias avançadas de auxílio, que permitem aos fabricantes produzir tais peças sem limites de quantidade e a custos mais baixos. O acabamento correto permite não apenas requisitos de superfície corretos, mas também uma melhoria significativa nas qualidades funcionais dos componentes usinados.

Quais são as últimas tendências em materiais para torneamento CNC?

Materiais emergentes em usinagem CNC: Propriedades e aplicações

Ligas de titânio

• Características: Os usos da liga de titânio incluem o domínio de atributos de resistência à corrosão, alto ponto de fusão e relação resistência-peso, tornando-as ideais para usos que exigem condições ambientais extremas.
• Uso: Devido à excelente biocompatibilidade, o uso é testemunhado em ferramentas cirúrgicas, implantes ortopédicos e ligas de titânio são amplamente empregadas em componentes aeroespaciais e peças automotivas.

Data chave:

• Resistência à tração: 1,400 MPa
• Densidade: 4.5 g / cm³
• CFRP (Plástico Reforçado com Fibra de Carbono)
• Características: O CFRP tem uma estrutura leve, alta resistência à tração, resistência à fadiga e à degradação química e alto desempenho em comparação com outros materiais.
• Uso: Equipamentos esportivos e acessórios estruturais em automóveis e aeronaves de alto desempenho são os principais usos do CFRP.

Data chave:

• Relação resistência à tração/peso: 10 vezes maior
• Densidade: ~1.6 g/cm³
• Superligas à base de níquel
• Características: Pode suportar altas temperaturas sem arranhar ou ranger. Outras características incluem resistência à oxidação e excelente deformação sob carga, o que é ótimo para ambientes térmicos extremos.
• Uso: Aplicado em lâminas de turbinas, motores e aeronaves a jato e em dispositivos de engenharia de processos químicos.

Data chave:

• Faixa de fusão: 1350°C a 1400°C
• Densidade: 8.4 – 9.0 g/cm³
• PEEK, PTFE e outros plásticos de engenharia apresentam alta resistência mecânica com estabilidade térmica e excelentes fatores de crescimento, tornando o plástico de engenharia atraente.
• Outros usos incluem peças elétricas, dispositivos médicos e maquinário leve. Nas indústrias aeroespacial e de semicondutores, o PEEK é especialmente valorizado.

Data chave: 

• Temperatura de operação (PEEK): 260 graus Celsius
• Densidade (PTFE): 2.2 g/cm³

Aços Ferramenta 

• Propriedades: Esses aços possuem tenacidade excepcional, resistência ao desgaste e rasgos, e altos níveis de resistência mesmo quando deformados. Em condições severas, esses aços retêm seus atributos de desempenho, tornando-os ideais para usinagem de alto estresse.
• Aplicações: Ideal para ferramentas de corte, matrizes e moldes de usinagem CNC.

Data chave: 

• Dureza (HRC): 68 ou mais
• Resistência à tração: 2000 MPa
• Ligas de Alumínio
• Propriedades: Ligas de alumínio são bem leves, ao mesmo tempo em que possuem ótima condutividade térmica e resistência à corrosão. Elas também são baratas e facilmente usinadas, o que as torna muito úteis para trabalhos CNC.
• Aplicações: Comum nos mercados aeroespacial, automotivo e de eletrônicos de consumo.

Data chave: 

• Densidade: 2,7 g / cm³
• Resistência à tração (liga 6061): 310 MPa

Esses materiais emergentes permitem que os tecidos satisfaçam padrões operacionais específicos enquanto tentam se manter a par do progresso tecnológico. Cada material oferece vantagens únicas adaptadas a aplicações específicas. Projetos que envolvem um condutor CNC para funcionar de forma excepcionalmente fácil e confiável podem usar esses materiais específicos.

Avanços na ciência dos materiais impactando o torneamento CNC

A melhoria na ciência dos materiais impactou significativamente as operações de torneamento CNC, permitindo a produção de componentes precisos, duradouros e de alto desempenho. Na era moderna, maior atenção é direcionada a novos materiais e seus processos de usinagem correspondentes para satisfazer necessidades industriais mais rigorosas.

Por exemplo, as superligas modernas Inconel e Hastelloy são um passo tecnológico à frente. Esses materiais são indispensáveis ​​para as indústrias aeroespacial e de energia devido à sua incrível resistência ao calor e à corrosão. Tomemos, por exemplo, as lâminas de turbinas aeroespaciais modernas. É bastante comum usar a liga Inconel 718. Ela não apenas suporta temperaturas extremas, mas tem uma resistência à tração de mais de 1000 MPa a 700 °C. Materiais de ferramentas como diamante policristalino (PCD) e nitreto cúbico de boro (CBN) também ajudaram a modernizar a usinagem de materiais resistentes.

Outro avanço vem com materiais compostos, como polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRPs). Embora os CFRPs tenham relações resistência-peso excepcionais, eles representam desafios no torneamento CNC porque são muito abrasivos. Avanços em ferramentas de corte, incluindo ferramentas revestidas de diamante e taxas de avanço otimizadas, levaram a ganhos substanciais na eficiência de usinagem e qualidade de superfície desses compostos. Os CFRPs agora são amplamente usados ​​para componentes automotivos devido à sua leveza e eficiência de combustível aprimorada.

Além disso, os metais tradicionais têm novos tratamentos de superfície e revestimentos que ampliam seu uso. Por exemplo, ligas de titânio, antes usadas em aviões e agora acopladas a revestimentos nanoestruturados recentemente, apresentam resistência ao desgaste mais excelente e são mais usináveis. Um exemplo é o Titânio Grau 5 (Ti-6Al-4V), que é frequentemente usado para implantes médicos e componentes de naves espaciais. Essas ligas metálicas têm uma densidade de 4.43 g/cm³ e resistências à tração de até 950 MPa; assim, peças de alumínio que são leves e fortes podem ser facilmente usinadas.

Compósitos de matriz metálica (MMCs) também foram desenvolvidos, integrando materiais metálicos com reforços cerâmicos para obter compósitos firmes e termicamente estáveis. Por exemplo, MMCs de alumínio reforçados com carboneto de silício fornecem resistências à tração de 300-600 MPa e características térmicas aprimoradas, tornando-os ideais para peças de motores e sistemas que perdem calor.

Esses novos materiais, combinados com novos métodos de ferramentas e ferramentas CNC, são diferentes do que era possível anteriormente com tornos CNC. Materiais desafiadores agora podem ser trabalhados com maior precisão, maior produtividade e menos desgaste de ferramentas, fornecendo componentes de melhor qualidade para aplicações avançadas.

Como posso otimizar o uso de material em projetos de torneamento CNC?

Estratégias para redução de desperdício de material na usinagem CNC

Otimização do design de peças

Concentre-se em projetar peças mais eficientes em termos de geometria e complexidade de recursos. Aplique técnicas de design-for-manufacturing (DFM) para usar a menor quantidade de material possível sem comprometer o propósito do design.

Planejamento eficiente de trajetória de ferramentas

Use tecnologias modernas de construção CAD/CAM para criar trajetórias de ferramentas que melhor utilizem os materiais disponíveis e produzam o mínimo de refugo. Isso pode incluir técnicas de encaixe e estratégias de corte adaptativas que podem reduzir drasticamente o desperdício.

Selecionando o tamanho certo do material

Utilize matérias-primas cujo tamanho seja mais próximo do da peça acabada para garantir que menos material seja desperdiçado durante os processos de usinagem.

Reciclagem e Reutilização de Resíduos

Sucatas e sobras de materiais devem ser coletadas e recicladas para projetos futuros sempre que for razoável. Isso minimiza o desperdício e reduz o gasto geral com materiais.

Usando práticas de usinagem de precisão

Ajuste todas as máquinas e ferramentas adequadamente para obter os cortes corretos, pois isso aumentará as chances de obter o corte correto e reduzirá o desperdício de material.

A aplicação dessas técnicas melhora a gestão de custos dos fabricantes e ajuda a alcançar a sustentabilidade, mantendo altos padrões de produção.

Considerações sobre reciclagem e sustentabilidade na seleção de materiais

Em vez disso, selecione materiais que sejam recicláveis ​​e renováveis ​​e aqueles que tenham sido processados ​​anteriormente. Alumínio e aço são materiais remoldados populares e adequados para fabricação sustentável. Sempre que possível, materiais biodegradáveis, mais especificamente, certos polímeros e fibras naturais, devem ser usados. Revise e estude as avaliações do ciclo de vida da produção de materiais para entender o impacto ambiental e trabalhe com fornecedores comprometidos com práticas sustentáveis, como certificação de materiais e fornecimento ético. Isso minimiza as preocupações ecológicas ao mesmo tempo em que atende às necessidades de fabricação.

Escolhas de materiais com boa relação custo-benefício para diferentes volumes de produção

Projetos de acabamento com baixos volumes de produção exigem materiais de usinagem CNC econômicos que não exigem investimento pesado inicialmente. Isso inclui, por exemplo, materiais fabricados ou de tamanho padrão que criam menos desperdício durante a usinagem e custam menos.

Para volumes de produção médios, considere materiais com uma relação custo-desempenho média, como plásticos de engenharia ou ligas com durabilidade suficiente, mas que não custem muito.

Altos volumes de produção se beneficiam muito das economias de escala, pois ajudam a compensar as despesas incorridas usando materiais de alto desempenho ou formulados sob medida. Uma grande quantidade de materiais, por exemplo, compósitos avançados ou metais especializados, pode ser comprada razoavelmente, reduzindo o custo de cada unidade e garantindo que as necessidades de produção e qualidade sejam atendidas.

Perguntas Frequentes (FAQs)

P: Quais são os materiais mais comuns empregados na usinagem CNC?

R: Os materiais CNC mais cotidianos incluem variedades metálicas e plásticas. Alumínio, aço inoxidável, aço carbono, latão e titânio são alguns dos metais geralmente escolhidos para esse processo. ABS, policarbonato, nylon e acetal são alguns materiais plásticos preferidos para usinagem CNC. Essas substâncias têm várias propriedades, tornando-as adequadas para diferentes projetos de usinagem CNC.

P: Como posso escolher o material de usinagem CNC certo para meu projeto?

R: Para escolher os materiais certos para máquinas CNC, deve-se considerar fatores como o uso pretendido da peça, resistência necessária, restrições de peso, resistência à corrosão e um orçamento. Compreenda a usinabilidade do material porque é mais fácil usinar materiais do que outros tipos. Procure opiniões profissionais de prestadores de serviços que oferecem usinagem CNC sobre a escolha do que é adequado para as necessidades específicas do seu projeto em relação à composição do material.

P: Quais são alguns tipos de plásticos normalmente usados ​​na usinagem CNC?

R: ABS, policarbonato, nylon, acetal (Delrin), PEEK e UHMW são materiais plásticos comuns empregados em usinagem CNC. Eles têm diferentes atributos como força, flexibilidade ou resistência química. Quando você precisa de um protótipo feito de peças de plástico, então vá para ABS. Se você precisa de tenacidade e resistência ao desgaste, então escolha nylon. O policarbonato pode ser usado quando clareza óptica e resistência ao impacto são necessárias; portanto, é amplamente aplicado em várias aplicações dentro de fresamento e torneamento CNC, onde eles lidam com plástico de usinagem CNC.

P: Por que usar aço carbono na usinagem CNC?

R: Devido à sua resistência, durabilidade e custo-benefício, o aço carbono é frequentemente uma escolha popular para esse tipo de processo de usinagem e, como tal, é considerado uma das opções preferidas para metais macios. É comumente usado em peças com alta resistência à tração e dureza. O aço carbono pode ser endurecido por meio de tratamento térmico, resultando em propriedades desejáveis. Embora possa não oferecer a resistência à corrosão que o aço inoxidável oferece, é ideal para situações em que se precisa de material forte, já que a maioria das máquinas-ferramentas e equipamentos industriais são feitos dele.

P: Qual o efeito da seleção de materiais no processo de usinagem CNC?

R: A usinagem CNC é muito afetada pela seleção de materiais. Diferentes materiais exigem ferramentas, velocidades de corte e taxas de avanço específicas. Por exemplo, materiais mais duros exigem velocidades de corte mais lentas e ferramentas mais resistentes, enquanto materiais mais macios podem ser usinados mais rapidamente. Além disso, as propriedades do material também afetam as tolerâncias que podem ser alcançadas e os acabamentos de superfície que podem ser obtidos. A escolha correta do material CNC aumentará a qualidade geral das peças, ao mesmo tempo em que maximizará a eficiência da usinagem e estenderá a vida útil da ferramenta.

P: Quais fatores devo considerar ao escolher metal e plástico para meu projeto de usinagem CNC?

R: Há vários fatores a serem considerados ao escolher entre metais e plásticos para seu projeto de usinagem CNC, que incluem requisitos de resistência, limitações de peso, condições ambientais e custo, entre outros. Metais geralmente têm maior resistência e resistência ao calor do que plásticos; portanto, são mais apropriados para componentes estruturais ou aplicações de alto estresse. Plásticos são leves e menos resistentes à corrosão, sendo mais baratos na maioria das vezes também. Dependendo de coisas como propriedades mecânicas, resistência química desejada ou propósitos estéticos, escolha metal ou plástico como a melhor fonte de fabricação possível para suas necessidades em máquinas CNC para que você atinja seus objetivos perfeitamente.

Fontes de Referência

1. “Comparação da taxa de remoção de material da liga de alumínio AA6082 entre uma nova ferramenta revestida de AlTiN e uma ferramenta de carboneto não revestida em torneamento CNC” por Venkata Ganga Babu Cheekatla e D. Vinodh (2022)

Principais descobertas:

• Este estudo pretende considerar as taxas de remoção de material (MRR) para a liga de alumínio 6082 usinada com diferentes ferramentas de revestimento.
• Os resultados mostram que a ferramenta revestida com AlTiN supera a ferramenta de carboneto não revestida em relação à MRR, ou seja, 0.19745 g/s em comparação com 0.16110 g/s, respectivamente, o que indica um bom aumento de desempenho por meio do revestimento no processo de usinagem.

Metodologia:

• Ambas as ferramentas foram usadas para executar operações de torneamento na liga de alumínio AA6082. Medições de MRR foram feitas e análises estatísticas foram conduzidas para determinar se as diferenças observadas eram significativas.

2. Título do artigo: “Otimização experimental de parâmetros de torneamento de alta precisão de materiais AL6061 para a indústria automotiva com base na análise relacional de cinza” por J. Puoza et al.

Principais conclusões

• Esta pesquisa apresenta um estudo de otimização em parâmetros de torneamento para liga de alumínio AL6061, um dos materiais mais comumente usados ​​em indústrias automotivas. É valorizado por suas propriedades mecânicas favoráveis ​​e usinabilidade.
• Foi demonstrado que velocidades de corte e taxas de avanço ideais foram alcançadas, resultando em erro de dimensão mínimo e microdureza de superfície aprimorada.

Metodologia

• Os autores conduziram seu estudo usando uma abordagem de projeto composto central (CCD) para descobrir como diferentes parâmetros de usinagem afetaram o desempenho do AL6061 durante o processo de torneamento, utilizando a metodologia de superfície de resposta (RSM).

3. Título: Rahul Sharma et al. (2021). “Otimização dos parâmetros do processo de usinagem da liga de alumínio AA6262 T6 para torneamento CNC por meio da análise relacional de cinza”

Principais descobertas:

• Este artigo busca otimizar os parâmetros de usinagem da liga de alumínio AA6262 T6, que é altamente usinável e resistente.
• Essas descobertas revelam que otimizar a taxa de avanço, a velocidade de corte e a profundidade do corte pode melhorar muito a rugosidade da superfície e a taxa de remoção de material.

Métodos:

• Pesquisadores empregaram a Análise Relacional de Grey (GRA) para otimizar parâmetros de torneamento conduzindo experimentos envolvendo insertos de metal duro não revestidos com condições de corte a seco.

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