Materiais difíceis de usinar são definidos como materiais de engenharia com usinabilidade significativamente menor em comparação com os típicos. Esses materiais são frequentemente referidos como "difíceis de usinar", "difíceis de cortar" ou até mesmo "desagradáveis" no jargão de chão de fábrica. É importante notar que a alta dureza não é a única característica que torna esses materiais desafiadores para usinar, pois vários outros fatores contribuem para suas dificuldades de usinagem.
Na verdade, cada ramo industrial, de uma forma ou de outra, deve lidar com tais materiais. No entanto, o principal
consumidor desses materiais é a indústria aeroespacial. É neste setor—seja na produção de
motores de turbina, componentes de trem de pouso ou elementos primários da fuselagem—que materiais difíceis de usinar
encontraram sua maior aplicação. Na indústria aeroespacial, as características-chave dos materiais necessários
são relação resistência-peso, robustez, vida em fadiga e resistência à corrosão e altas temperaturas. Verifica-se
que materiais que atendem a essas características são difíceis de usinar, apresentando um desafio sério
para a produção. Ao falar sobre tais materiais, as seguintes informações devem ser consideradas.
- Aço de alta liga e alta resistência,
- Ligas de titânio,
- Superligas de alta temperatura,
- Compósitos.
Os aços de alta resistência são usados em elementos submetidos a cargas mecânicas extremas, como trem de pouso.
Além disso, este é o material primário para vários fixadores.
As ligas de titânio, com sua excelente relação resistência-densidade, alta resistência à corrosão e resistência ao fluência,
tornaram-se o material preferido para produzir as partes principais da seção fria de um motor a jato. Essas
ligas também fornecem uma alternativa adequada aos aços e aços inoxidáveis para economia de peso.
As superligas de alta temperatura (HTSA), que podem manter sua resistência em ambientes de alta temperatura, são
comuns nos componentes da seção quente de um motor a jato.
Os compósitos oferecem resistência específica impressionante, ajudando a diminuir o peso de uma aeronave e abrindo novas
perspectivas para revestimento aerodinâmico. Na aviação militar, os compósitos contribuem para melhorar as características
de furtividade da aeronave.
No entanto, usinar esses materiais apresenta inúmeros desafios por várias razões. Os principais desafios
são os seguintes:
- A alta resistência do material resulta em forças de corte significativas que aumentam a carga mecânica na
ferramenta de corte.
- Geração intensiva de calor e baixa condutividade térmica do material (por exemplo, ao usinar
ligas de titânio) causam transferência de calor deficiente. Isso leva a uma carga térmica crescente na ferramenta e aumenta
o risco de acúmulo na aresta de corte.
- O endurecimento por trabalho dos materiais (especificamente HTSA) aumenta a resistência e dureza da superfície da peça
durante o corte, dificultando a usinagem.
- O alto fator de abrasão (ao usinar compósitos) intensifica o desgaste da área ativa
da ferramenta.
Além disso, outras características específicas do material afetam a usinabilidade. Por exemplo, a "elasticidade" das
ligas de titânio contribui para vibrações, piorando a precisão da usinagem e o acabamento da superfície. A estrutura interna
dos compósitos está associada à delaminação do material durante a usinagem.
Todos os aspectos mencionados aceleram o desgaste da ferramenta e diminuem a vida útil da ferramenta. As tendências na indústria aeroespacial apontam claramente para o aumento do uso de materiais difíceis de usinar. Isso se manifesta pela introdução de novas ligas com maior resistência e características de resistência ao calor, pela ampla aplicação de compósitos e pela utilização de materiais de estrutura híbrida (metal-compósito). Para enfrentar esses desafios, a indústria de metalurgia introduz novas estratégias de corte baseadas nas impressionantes capacidades das máquinas CNC modernas e sistemas CAM. No entanto, o elo final em toda a cadeia de usinagem, que entra em contato direto com o material e remove sua camada durante a operação, é a ferramenta de corte. Este elo é a parte mais "conservadora" da cadeia, e seu desenvolvimento é lento, frequentemente impedindo o aproveitamento total das capacidades das máquinas avançadas. Para superar as dificuldades existentes de usinagem, é necessário reduzir os dados de usinagem, o que leva a baixa produtividade e aumento dos custos de usinagem. Compreensível, cada passo adiante, mesmo que pequeno, no campo de ferramentas pode resultar em melhorias significativas na usinagem de materiais "difíceis". Portanto, a indústria de trabalho de metais acolhe os últimos avanços em ferramentas de corte, esperando que levem a uma mudança radical na situação.
Quais são os principais requisitos para ferramentas destinadas à usinagem eficiente de materiais aeroespaciais difíceis de usinar?
Em resumo, eles precisam ser duros, duráveis e precisos para permitir usinagem produtiva enquanto
garantem vida útil da ferramenta prolongada previsível e estável e o nível de precisão necessário. No entanto, atender a essas
demandas compreensíveis e razoáveis requer esforços significativos, e até mesmo pequenos progressos nesta
direção enfrentam desafios. Cada novo avanço envolve trabalho sério de P&D, bem como testes extensivos.
Portanto, o desenvolvimento de ferramentas se concentra nas seguintes áreas:
1. Graus de material de corte.
2. Design da ferramenta.
3. Componente digital da ferramenta.
Em materiais de corte, a ênfase está em melhorar a dureza, resistência ao desgaste e resistência em alta temperatura.
Isso é alcançado pela introdução de novos revestimentos, particularmente aqueles baseados em nanotecnologia, e expansão do
uso de materiais de corte extra-duros como nitreto de boro cúbico (CBN) e cerâmicas.
No design da ferramenta, as melhorias visam a otimização de geometrias macro e micro, como o design da cunha de corte e preparação da aresta de corte, para melhorar as capacidades de corte. A modelagem computacional, em combinação com dinâmica computacional e as impressionantes possibilidades da manufatura aditiva (MA), oferece oportunidades inteiramente novas para moldar canais de fluxo, cavidades de cavacos e canais de arrefecimento interno. Isso contribui para melhor evacuação de cavacos e fornecimento de refrigerante, melhorando o desempenho da ferramenta. Uma área-chave é aumentar a resistência à vibração da ferramenta através de geometria de corte avançada, melhorando a rigidez da estrutura da ferramenta e usando suportes de ferramenta com amortecimento de vibração.
O componente digital da ferramenta inclui o gêmeo digital e vários produtos de software, que permitem montagem virtual, simulação de usinagem, seleção de dados de corte, estimativa de vida da ferramenta e cálculos necessários como encontrar potência de usinagem e forças de corte. A ISCAR espera que este componente seja compatível com padrões de troca de dados para atender aos requisitos da manufatura inteligente, à nossa porta. As tendências observadas são claramente visíveis nos novos desenvolvimentos da ISCAR – uma das líderes em manufatura de ferramentas – apresentados no âmbito da campanha LOGIUICK mais recente.
A empresa introduziu dois novos graus de carboneto com revestimento PVD: IC1017 foi criado pela ISCAR para torneamento de HTSA à base de Ni, e IC716, que é destinado à fresagem de alto desempenho de ligas de titânio. A gama de fresas de metal duro com amortecimento de vibração foi expandida com designs contemporâneos feitos do grau de carboneto IC608 de cor bronze, que é a primeira escolha para o grupo de aplicação ISO S (corte de superligas e titânio). Outro grau de carboneto, IC5600, foi desenvolvido pelos prolíficos engenheiros de Ciências de Materiais da ISCAR para fresagem de aço (grupo ISO P). A combinação do substrato submicron do grau, revestimento CVD e tratamento pós-revestimento visa melhorar a resistência ao desgaste abrasivo e carregamento térmico, aumentando a velocidade de corte, particularmente ao usinar aço de alta resistência.
CERMILL, uma nova família de fresas com pastilhas redondas de uma única face indexáveis (Fig. 1), é interessante do ponto de vista de dois aspectos. Primeiro, a família utiliza um mecanismo engenhoso para fixação de pastilha com alta rigidez. Este mecanismo permite um número aumentado de dentes em comparação com um design típico de ferramentas similares no mesmo diâmetro. Além disso, permite indexação simples e substituição da pastilha sem remover a fresa de topo do porta-ferramentas. Em segundo lugar, os pastilhas são produzidos a partir de graus cerâmicos que foram especialmente projetados para usinagem de HTSA.
A ISCAR expandiu sua linha de produtos anti-vibração, baseada em um mecanismo inovador de amortecimento integrado com uma massa pesada suportada por um elemento de mola de borracha contendo óleo para amortecimento aprimorado. A linha de torneamento agora inclui barras de furação que absorvem vibração para profundidades de usinagem de 12 e 14 vezes o diâmetro do corpo (Fig. 2). Além disso, a linha de fresamento incorporou cabos anti-vibração com adaptação MULTI-MASTER.
O QUICK-X-FLUTE é uma família de fresas de topo de canal estendido, desenvolvida para alcançar altas taxas de remoção de metal (MRR) no fresamento de desbaste de materiais desafiadores, como HTSA e titânio (ISO S), aço inoxidável austenítico e duplex (ISO M) e aço (ISO P). Esses "ouriços" utilizam pastilhas quadradas de dupla face econômicas que fornecem 8 arestas de corte indexáveis. Um aspecto fundamental do design da fresa é a geometria de canal otimizada (Fig. 3), que equilibra a rigidez da fresa com a necessidade de fluxo de cavaco eficaz ao cortar em alta MRR. As fresas QUICK-X-FLUTE também apresentam uma opção de suprimento de fluido interno. O uso de fluido de alta pressão localizado, com bicos substituíveis e saídas frontais na face, garante suprimento direto de fluido para a zona de corte. Isso aprimora a ação de resfriamento e lubrificação, contribuindo para o controle ideal de cavacos.
O suprimento eficaz de fluido tornou-se uma ênfase primária nos designs de ferramentas contemporâneos. Na linha PICCO de ferramentas de torneamento em miniatura, a ISCAR introduziu novos pastilhas com canais de fluido interno (Fig. 4). Na furação, a empresa apresentou novas brocas de metal duro com 3 canais para usinagem de furos de fundo plano, apresentando três saídas de fluido. Na fixação de ferramentas, as adições mais recentes incluem porta-ferramentas com canais de fluido ao longo do furo do corpo. Além disso, na família clássica de fresamento indexável HELIMILL da ISCAR, os engenheiros de P&D da empresa atualizaram o design para maximizar a taxa de fluxo com queda de pressão mínima usando software de dinâmica de fluidos computadorizada (CFD).
Melhorias também foram feitas no NEOITA, uma parte integral do componente de ferramenta digital da empresa. NEOITA, um sistema especialista que recomenda soluções de ferramentas ideais e prevê a vida útil da ferramenta para uma aplicação específica, agora inclui novos recursos. Um deles é a busca de informações alimentada por IA, especificamente projetada para recuperar dados detalhados sobre materiais de peça de trabalho, incluindo sua composição metalúrgica e usos comuns.
O desempenho aprimorado na usinagem de materiais aeroespaciais difíceis de cortar é um desafio complexo. Para resolver isso, os fabricantes de ferramentas estão continuamente se esforçando para fornecer soluções mais avançadas e produtivas. Embora nenhuma mudança radical tenha sido observada, desenvolvimentos recentes indicam progresso evolutivo constante nesta área.
