Usinagem CNC de aço inoxidável | Usinabilidade, classes, soluções

O aço inoxidável é popular na engenharia devido à sua alta resistência, tenacidade e excepcional resistência ao calor e à corrosão. No entanto, as mesmas propriedades físicas e mecânicas que o tornam desejável também apresentam desafios significativos durante o processo de fabricação. Do ponto de vista da usinagem, o aço inoxidável é frequentemente considerado um material difícil devido à sua forte tendência ao endurecimento por deformação, altas forças de corte e baixa condutividade térmica.

Visão geral da usinabilidade

A usinabilidade refere-se à facilidade com que um material metálico pode ser submetido a processos de corte. Uma vez estabelecido o corte normal, a usinabilidade do metal é avaliada com base na rugosidade da superfície da peça, na velocidade de corte e no grau de desgaste da ferramenta.

A usinabilidade é um fenômeno complexo da camada superficial que envolve atrito e deformação elástica e plástica em alta velocidade. Portanto, a facilidade de corte e a qualidade do resultado estão relacionadas a muitos fatores:

1. Material e geometria da ferramenta.
2. Desempenho de corte do material da peça de trabalho.
3. Presença e características dos fluidos de corte durante o processamento.
4. Tipo e condições de corte.

Em condições constantes, o metal mais fácil de cortar deve ser aquele que permite a máxima velocidade de corte, o mínimo desgaste da ferramenta e o menor consumo de energia, obtendo-se, ao mesmo tempo, a rugosidade superficial mais satisfatória. Na maioria dos casos, os principais requisitos para o corte são alta velocidade e longa vida útil da ferramenta; contudo, em algumas situações, os requisitos para a lisura da superfície são mais rigorosos.

Métodos para Determinar a Usinabilidade

1. Comparação da vida útil da mesma ferramenta ao cortar diferentes metais a uma determinada velocidade de corte.
2. Comparação da profundidade de perfuração em diferentes metais usando a mesma pressão, velocidade de rotação e tempo.
3. Comparação da usinabilidade pela energia consumida ou pelo calor dissipado durante o corte de um determinado volume de diferentes metais.

Esses métodos não consideram a rugosidade da superfície da peça usinada; eles utilizam apenas a facilidade de corte para comparar relativamente a usinabilidade dos metais.

A usinabilidade de metais é uma propriedade tecnológica muito complexa, relacionada a outras propriedades do metal. Primeiramente, devemos entender os motivos pelos quais os metais são difíceis de cortar:

1. Quando a dureza ou resistência é muito alta, a energia consumida no corte é grande; quando a velocidade aumenta, o calor gerado pode facilmente amolecer a aresta da ferramenta, tornando o corte muito difícil.
2. Metais macios com alta plasticidade são propensos a produzir aresta postiça (BUE) e a aderir à aresta da ferramenta durante o corte, o que dificulta o corte e aumenta a rugosidade da superfície.
3. Metais propensos ao endurecimento por deformação são difíceis de usinar, como aços de alto carbono e alto manganês, aços resistentes ao desgaste e aços inoxidáveis ​​austeníticos. Metais que contêm fases secundárias duras, como carbonetos e óxidos, também são difíceis de usinar, pois desgastam facilmente a aresta da ferramenta.

Em segundo lugar, devemos saber que tipo de estrutura facilita o corte do metal. Fases secundárias insolúveis na matriz, se possuírem propriedades lubrificantes ou aumentarem a fragilidade do material, podem melhorar a usinabilidade. Por exemplo, grafite, chumbo e bismuto podem aumentar o efeito lubrificante durante o corte; sulfetos e fosfetos frágeis (como MnS e Fe3P no aço) podem facilitar a quebra dos cavacos.

Formas de melhorar a usinabilidade

1. Amolecer metais duros (temperamento ou recozimento).
2. Endurecer metais que são muito macios (trabalho a frio, refinamento de grãos, normalização).
3. Reduzir as fases secundárias duras (melhorar a qualidade da fundição, reduzir as inclusões).
4. Melhorar a distribuição das segundas fases difíceis (anelamento ou normalizando).
5. Adicionar elementos de segunda fase que melhoram o desempenho de corte (Pb, Bi, Grafite, MnS, Fe3P, etc.).

O método final (5) pode produzir ligas com excelente usinabilidade adequadas para máquinas-ferramenta automáticas, que são por isso chamadas de aços e ligas de corte livre.

Algumas propriedades físicas e mecânicas que afetam a usinabilidade são insensíveis à microestrutura e, portanto, difíceis de alterar por meio de melhorias estruturais. Essas propriedades incluem o coeficiente de expansão térmica, a condutividade térmica e o módulo de elasticidade do metal matriz.

Visão geral do corte de aço inoxidável

Diferentes tipos de aço inoxidável apresentam diferentes desempenhos de usinagem, e as diferenças são significativas. De modo geral, a usinabilidade do aço inoxidável é inferior à de outros aços. Por exemplo, em comparação com o aço carbono, o aço inoxidável austenítico apresenta a pior usinabilidade. Isso se deve ao severo encruamento e à baixa condutividade térmica do aço inoxidável austenítico. Por esse motivo, fluidos de corte à base de água devem ser utilizados durante o processo de usinagem para reduzir a deformação térmica. Principalmente quando o tratamento térmico pós-soldagem é inadequado, a deformação é inevitável, independentemente do quanto se busque melhorar a precisão do corte. A usinabilidade de outros tipos de aço inoxidável, como os aços inoxidáveis ​​martensíticos e ferríticos, não difere significativamente da do aço carbono, desde que não sejam usinados após têmpera. No entanto, tanto para os tipos martensíticos quanto para os ferríticos, quanto maior o teor de carbono, pior a usinabilidade. Os aços inoxidáveis ​​endurecidos por precipitação apresentam diferentes desempenhos de usinagem devido às diferenças na estrutura e nos métodos de tratamento, mas, em geral, no estado recozido, sua usinabilidade é basicamente a mesma que a dos aços inoxidáveis ​​martensíticos e austeníticos da mesma série e resistência.

Os aços inoxidáveis ​​são amplamente utilizados devido à sua excepcional resistência ao calor e à corrosão, além de alta resistência mecânica e tenacidade. Em muitas aplicações, a capacidade de um metal cortar outro é determinada pela sua usinabilidade. Todos os aços inoxidáveis ​​podem ser usinados, assim como todas as suas classes. A usinabilidade do aço inoxidável, assim como suas propriedades físicas e mecânicas, apresenta grande variação.

De modo geral, o aço inoxidável refere-se a ligas à base de ferro com teor de cromo superior a 11.5%. Para atingir a resistência à corrosão e/ou as propriedades mecânicas necessárias, podem ser adicionados elementos como carbono, níquel, manganês, silício, alumínio, titânio, nióbio e outros elementos de liga.

Tipos de aço inoxidável com base na usinabilidade

A classificação baseada na microestrutura e nas condições de tratamento térmico é o método mais comum. Isso divide todos os aços inoxidáveis ​​em três categorias: temperáveis ​​(martensíticos), não temperáveis ​​(ferríticos) e austeníticos. Cada categoria inclui alguns aços de corte livre.

Aço inoxidável endurecível

Este grupo consiste em aços da série 400 que podem ser endurecidos por tratamento térmicoOs aços inoxidáveis ​​de corte livre incluem: 416, 420F e 440F. Os aços com usinabilidade geral incluem 403, 410, 420, 431, 440A, 440B e 440C. Todos esses são aços martensíticos, magnéticos no estado recozido, e podem atingir diferentes níveis de resistência por meio de têmpera e revenido. O mais fácil de usinar é o 416, enquanto o mais difícil é o 440C, devido ao seu alto teor de carbono, que causa desgaste severo da ferramenta.

Aço inoxidável não temperável

Este grupo inclui aços da série 400 que não podem ser significativamente endurecidos por tratamento térmico. Eles são ferríticos e magnéticos no estado recozido. Os aços de corte livre incluem o 430F; aqueles com usinabilidade geral incluem o 405, o 430 e o 446.

Aço Inoxidável Austenítico

Esses são os aços da série Cr-Ni 300, recentemente expandida para incluir alguns aços da série Cr-Ni-Mn 200. Eles são austeníticos no estado recozido, basicamente não magnéticos e não podem ser endurecidos por tratamento térmico. No entanto, a maioria apresenta altas taxas de endurecimento por deformação — muito maiores do que os aços ferríticos e martensíticos. Os aços de corte livre incluem o 303 e o 303Se. Os aços padrão incluem o 201, 202, 301, 302, 304, 305, 308, 309, 310, 316, 317, 321, 347, etc. Os aços austeníticos são muito mais difíceis de usinar do que a maioria dos aços martensíticos ou ferríticos. Eles são pegajosos no estado recozido e produzem cavacos fibrosos, a menos que técnicas especiais sejam utilizadas. As altas taxas de endurecimento por deformação também contribuem para a dificuldade de usinagem.

Propriedades do aço inoxidável na usinagem CNC

A usinabilidade do aço inoxidável é muito inferior à do aço carbono médio. Se o aço 1045 apresenta 100% de usinabilidade, o austenítico 321 apresenta 40%; o ferrítico 10Cr28, 48%; e o martensítico 420, 55%. Os aços austeníticos e austeníticos-ferríticos são os de pior desempenho. Suas características incluem:

Endurecimento por Trabalho Severo

Mais proeminente em aços austeníticos e austeníticos-ferríticos. A resistência após o endurecimento pode atingir 1470–1960 MPa. O limite de escoamento aumenta de 30%–45% no estado recozido para 85%–95% após o endurecimento. A profundidade da camada endurecida pode ser de 1/3 da profundidade de corte ou mais, com dureza de 1.4 a 2.2 vezes a original. Isso se deve à alta plasticidade, distorção da rede cristalina e transformação da austenita em martensita sob tensão.

Grandes forças de corte

A alta plasticidade, especialmente na austenita, com alongamento 1.5 vezes maior que o do aço 1045, aumenta a força de corte. O encruamento e a alta resistência térmica aumentam ainda mais a resistência e dificultam a quebra de cavacos. A força de corte unitária do aço 06Cr18Ni11Ti é de 2450 MPa, 25% maior que a do aço 1045.

Alta temperatura de corte

A grande deformação plástica e o atrito geram calor significativo. Combinado com a baixa condutividade térmica (1/4 a 1/2 da do aço 1045), o calor se concentra na zona de corte. Sob as mesmas condições, a temperatura para o aço 321 é cerca de 200 °C superior à do aço 1045.

Batatas fritas difíceis de quebrar

A elevada plasticidade e tenacidade levam à formação de cavacos contínuos que podem riscar a superfície. A alta afinidade com outros metais causa aderência e acúmulo de material na aresta de corte, exacerbando o desgaste da ferramenta e o rasgo da superfície.

Desgaste da ferramenta

A afinidade causa desgaste por adesão e difusão, resultando em crateras na face da ferramenta e lascamento microscópico. Partículas de carboneto duro no aço também causam desgaste abrasivo.

Coeficiente de expansão linear grande

Aproximadamente 1.5 vezes maior que a do aço carbono. O calor de corte inferior faz com que as peças se deformem termicamente, dificultando o controle da precisão dimensional.

Dentre os diversos equipamentos de usinagem, os tornos automáticos são altamente eficientes para processar barras de aço inoxidável em inúmeros componentes.

Considerações para usinagem de aço inoxidável:

1. As ferramentas devem ser robustas, avançadas e ter alta capacidade de sobrecarga. O ideal é cortar abaixo de 75% da capacidade nominal da máquina.
2. As peças e ferramentas devem ser fixadas com segurança. A saliência da ferramenta deve ser a menor possível; utilize suporte adicional, se necessário.
3. Mantenha as ferramentas sempre afiadas (aço rápido ou metal duro). Afie-as regularmente; não espere até que seja necessário.
4. Utilize lubrificantes de alto desempenho, como graxa à base de petróleo clorado. Isso é eficaz para cortes pesados ​​em baixas velocidades de avanço. Para acabamento em alta velocidade, dilua com querosene para manter as temperaturas baixas.
5. Preste atenção aos aços austeníticos Cr-Ni. Utilize corte forçado e evite pausas para prevenir o encruamento e o deslizamento.

Em comparação com o aço carbono:

1. A resistência do aço inoxidável recozido é geralmente maior.
2. A diferença entre o limite de escoamento e a resistência à tração é maior.
3. As taxas de endurecimento por deformação são mais elevadas.
4. As ligas com alto teor de carbono (440A/B/C) contêm carbonetos de liga livres que endurecem a matriz e são abrasivos, aumentando o desgaste.

Processos de usinagem CNC de aço inoxidável

Os processos de fabricação para usinagem de aço inoxidável incluem torneamento CNC, fresagem, retificação, furação, etc.

Torneamento CNC

Geralmente considerado corte de ponto único. As ferramentas devem ter um ângulo de ataque positivo. Os tipos martensíticos (420, 440) requerem um ângulo de ataque negativo para reduzir o desgaste. As séries austeníticas (200/300) tendem a sofrer encruamento; mantenha o avanço forçado e não pare bruscamente. Utilize tornos de alta potência com boa rigidez estrutural. Ferramentas com ponta de metal duro são recomendadas em tornos revólver.

• Avanço de desbaste: 0.229–0.406 mm.
• Avanço de acabamento: 0.076–0.254 mm.
• Velocidade (tipos cromados): 61–152 m/min.
• Velocidade (tipos Cr-Ni): 61–122 m/min.
• Utilize misturas concentradas de óleos solúveis.

Fresagem CNC

A alta adesão e a tendência à fusão fazem com que os cavacos grudem nos dentes. Na fresagem ascendente, os dentes deslizam sobre superfícies endurecidas, aumentando o endurecimento. As vibrações e os choques são elevados.

• Ferramentas: Utilize aço rápido (HSS, W-Mo ou com alto teor de vanádio) ou carboneto (YG8, YW2, 813, 798, etc.).
• Geometria: Utilize ângulos de hélice grandes (20°–45°). As fresas de topo têm melhor desempenho com β 35 para evitar o enfraquecimento dos dentes.
• Método: Utilize fresamento concordante (fresamento decrescente) para garantir que os dentes saiam do metal suavemente e que os cavacos sejam expelidos pela força centrífuga.
• Resfriamento: O resfriamento por pulverização é o mais eficaz; caso contrário, assegure um fluxo completo de emulsão a 10%.
• Velocidade: Comece em aproximadamente 24 m/min para carboneto e aproximadamente 9 m/min para aço rápido (HSS).

Moagem CNC

A elevada tenacidade e resistência ao calor fazem com que os grãos com ângulos de ataque negativos tenham dificuldade em cortar os cavacos. A energia é alta, as temperaturas atingem 1000–1500 °C e os cavacos entopem o rebolo. A baixa condutividade térmica pode causar queimaduras superficiais ou recozimento (profundidade de 0.01–0.02 mm). A expansão leva à deformação, especialmente em peças de paredes finas. A maioria dos aços inoxidáveis ​​não é magnética, exigindo fixação mecânica, o que pode causar vibração ou distorção. Evite retificação irregular ou superaquecimento localizado.

Perfuração CNC

Normalmente, utilizam-se brocas helicoidais. Para aço temperado, utilize-se metal duro ou aço rápido superduro. Os torques são elevados e os cavacos aderem e endurecem. Faça ranhuras para quebrar os cavacos e reduza a espessura da alma para diminuir a força axial.

• Deslizamentos/Endurecimento: Polvilhe giz em pó na borda ou no furo para ajudar o corte a iniciar.
• Dispositivos de perfuração: Mantenha as buchas curtas; mantenha uma folga de um diâmetro de broca para a saída de cavacos.
• Velocidade: 12–38 m/min, dependendo da inclinação e da profundidade.
• Avanço: 0.051–0.508 mm/rotação. Minimize as pausas para reduzir o endurecimento.

Rosqueamento CNC

Aços de corte livre são semelhantes ao aço carbono. Um ângulo de ataque de 15° é melhor. Use machos de rosca fina para furos profundos para reduzir a pressão. Use machos de aço rápido (HSS) com roscas retificadas com precisão e canais polidos. Machos com canais helicoidais são melhores para o controle de cavacos. Certifique-se de que as roscas não excedam 75% da profundidade (65% costuma ser melhor) para evitar quebras. Para alta precisão, faça furos ligeiramente menores (0.152–0.305 mm abaixo da medida) e, em seguida, alargue o furo antes de rosquear. Evite afiar os machos manualmente.

• Velocidade: 3–11 m/min.
• Lubrificação: Óleos à base de enxofre para roscas grossas; querosene diluído para roscas finas; pó de chumbo branco para rosqueamento pesado.

Limpeza e passivação após usinagem

Para garantir a resistência à corrosão, remova toda a sujeira e manchas. Uma superfície limpa permite a formação de uma película passiva.

Desengorduramento: Deve ser completo e minucioso para remover todos os lubrificantes e óleos.

Banho de ácido nítrico: geralmente com concentração de 20% a 49°C por pelo menos 30 minutos. Dissolve partículas de ferro e limpa locais de corrosão.

Ajuste: Para aços da série 300 ou da série 400 com alto teor de cromo, utilize uma concentração de 20% a 40% a uma temperatura de 54 a 71 °C durante 30 a 60 minutos. Para aços da série 400 com baixo teor de cromo, utilize temperaturas mais baixas. Enxágue com água quente e seque imediatamente.

Acabamentos de superfície para usinagem CNC de aço inoxidável

Ao contrário da crença popular, o aço inoxidável não é totalmente imune à ferrugem, apenas relativamente resistente a ela. Uma película muito fina de óxido de cromo na superfície proporciona uma barreira protetora. No entanto, essa camada pode ser comprometida por fatores ambientais e processos mecânicos, como arranhões superficiais, limpeza inadequada, contaminação por aço carbono ou soldagem. Essas formas de contaminação superficial podem danificar significativamente a camada protetora.

Portanto, medidas eficazes devem ser tomadas durante a fabricação de produtos de aço inoxidável. A melhor maneira de prevenir a corrosão é por meio de um tratamento de superfície adequado. Os processos comuns incluem escovação, polimento espelhado, jateamento de areia e revestimentos anti-impressão digital, cada um oferecendo efeitos estéticos e benefícios funcionais exclusivos.

Polimento Espelho

O acabamento espelhado consiste essencialmente no polimento da superfície do aço inoxidável por meio de métodos físicos ou químicos. O polimento pode ser aplicado em toda a superfície ou em áreas localizadas. Os graus de acabamento espelhado são categorizados em polimento padrão, 6K (espelho padrão), 8K (polimento fino) e 10K (polimento superfino). Um acabamento espelhado proporciona uma estética sofisticada, minimalista, moderna e futurista.

Jato de areia

Este é um processo comum de tratamento de superfície na usinagem de aço inoxidável. Ele utiliza ar comprimido como fonte de energia para projetar materiais abrasivos em alta velocidade sobre a superfície da peça, resultando em uma alteração na textura da superfície. jacto de areia É utilizado principalmente para engenharia e otimização de processos, como aumentar a adesão de peças coladas, rebarbar superfícies usinadas, descontaminar e obter um acabamento fosco. Este processo é muito superior ao lixamento manual, proporcionando uma estrutura de superfície uniforme e uma aparência discreta e durável com alta eficiência de produção. Embora o lixamento manual possa criar uma superfície áspera, é muito lento, e a limpeza química muitas vezes deixa a superfície lisa demais para uma adesão ideal do revestimento.

Tratamento químico

Este processo envolve uma combinação de métodos químicos e eletroquímicos para gerar uma camada composta estável na superfície do aço inoxidável. galvanoplastia é um excelente exemplo de tratamento químico. Este método baseia-se principalmente em soluções ácidas individuais ou mistas e soluções anódicas para a remoção de incrustações. Posteriormente, são geradas películas protetoras através de tratamento com cromato, fosfato ou óxido pretoEste processo é usado principalmente para criar padrões complexos ou para atender a requisitos específicos de design vintage ou contemporâneo.

Coloração

Os processos de coloração superficial podem conferir diversas cores ao aço inoxidável, tornando o metal mais vibrante. Além do apelo visual, a coloração pode melhorar efetivamente a resistência ao desgaste e à corrosão do produto. Os métodos de coloração mais comuns incluem coloração química, coloração por oxidação eletroquímica, coloração por óxido depositado por íons, coloração por oxidação em alta temperatura e coloração por pirólise em fase gasosa.

Escovar

A escovação de metais é um método decorativo muito comum. Ela permite a criação de diversos padrões, incluindo linhas retas, padrões em espiral, padrões ondulados, padrões aleatórios e padrões rotativos. As superfícies escovadas caracterizam-se por um toque agradável, brilho delicado e alta resistência ao desgaste. Esse tratamento é amplamente aplicado em dispositivos eletrônicos, eletrodomésticos e equipamentos mecânicos.

Revestimento por spray

A pintura por aspersão em aço inoxidável difere substancialmente dos processos de coloração mencionados anteriormente. Dependendo dos materiais utilizados, algumas tintas podem danificar a camada de óxido do aço inoxidável. No entanto, certos revestimentos por aspersão permitem obter diferentes cores através de processos simples, e diferentes tipos de revestimentos podem ser utilizados para alterar a textura ou o "toque" da superfície do aço inoxidável.

Tolerâncias e capacidades de usinagem CNC da Getzshape

A Getzshape oferece usinagem CNC personalizada de alta qualidade, fabricação de chapas metálicas, eletroerosão, fundição sob pressão e muito mais. Nossas capacidades de usinagem CNC para aço inoxidável estão listadas abaixo.