O que são metais exóticos, por que são tão raros e como são usinados? Para entender esse assunto, vamos começar definindo-os.
Os principais materiais de engenharia são ligas à base de ferro, como aço, aço inoxidável e ferro fundido. Outro grupo de materiais usados regularmente inclui ligas baseadas em metais não ferrosos, como ligas de alumínio, latão e bronze.
Além disso, existem tipos de materiais exóticos que foram desenvolvidos para atender demandas específicas. São materiais para aplicações dedicadas; eles são raros e não comumente usados e geralmente são mais caros de fabricar.
Não existe uma definição estritamente acordada de um material exótico. Muitos especialistas se referem a eles como metais, como berílio, zircônio, etc. e suas ligas, cerâmicas, compósitos e superligas. Ao considerar o uso de materiais estruturais, as superligas e os compósitos devem ser discutidos primeiro. A indústria metalúrgica tem dificuldades, principalmente com esses tipos de materiais, devido a várias razões, uma das quais é a problemática da usinagem de materiais exóticos. Superligas, ou mais especificamente, superligas de alta temperatura (HTSA), são destinadas a operar sob uma carga mecânica pesada em combinação com altas temperaturas. Eles são amplamente utilizados em turbinas a gás e em várias válvulas e equipamentos petroquímicos. O "exotismo" das superligas é o seu design metalúrgico, que fornece alta resistência à fluência para manter a força em altas temperaturas. De acordo com o componente principal, o HTSA pode ser dividido em três grupos: superligas à base de níquel (Ni) -, cobalto (Co) - e ferro (Fe). Uma superliga química, especialmente no caso de HTSA com base em Ni e Co, resulta em baixa usinabilidade.
Compósitos são materiais multicomponentes. Quando comparados com um material de engenharia tradicional, como aço ou alumínio, as peças compósitas têm o formato mais próximo do formato final e não requerem remoção significativa de material. No entanto, os componentes compósitos têm propriedades diferentes e, quando combinados, produzem uma estrutura heterogênea que torna a usinagem problemática. O processo de usinagem de compósitos difere da usinagem de metais e frequentemente parece mais estilhaçamento do que corte. A alta abrasividade do compósito pode levar ao desgaste intensivo da ferramenta e a vários problemas de desempenho, como degradação da precisão ou defeitos de usinagem não reparáveis.
A indústria metalúrgica fez um progresso significativo na usinagem de materiais exóticos. Ferramentas de usinagem avançadas e estratégias de usinagem eficazes já elevaram o desempenho das operações de usinagem a um novo patamar. Um salto impressionante na impressão 3D, que pode diminuir significativamente as operações de usinagem, parece muito promissor. Mas há uma "exceção", que ainda limita o aproveitamento total do aumento considerável das capacidades da máquina. Essa "exceção" é a ferramenta de corte. Apesar do progresso distinto, as ferramentas de corte continuam sendo o gargalo para a eficiência da usinagem. Consequentemente, os planos de um avanço na usinagem produtiva de materiais exóticos têm muito a ver com a ferramenta de corte.
Os fabricantes de ferramentas de corte mantêm seus esforços para encontrar soluções produtivas e confiáveis para a usinagem de materiais exóticos. Às vezes, pode parecer que as fontes tradicionais para um grande avanço são quase inexistentes e que um grande passo em frente está ligado apenas a uma novidade real. Apesar disso, os fabricantes de ferramentas de corte ainda conseguem fornecer produtos interessantes que combinam os meios e recursos disponíveis com novas ideias. Desenvolvimentos recentes da ISCAR, que foram introduzidos durante os últimos anos, são um bom exemplo de tais produtos e a tentativa da ISCAR de resolver o gargalo existente e encontrar novas maneiras de seguir em frente.
Exótico por Exótico: a vantagem na utilização da cerâmica
O metal duro ainda é o principal material de corte na usinagem. A introdução das ferramentas de metal duro revolucionou a indústria metalúrgica, garantindo um crescimento significativo da produtividade devido ao aumento acentuado das velocidades de corte. No entanto, apesar disso, ainda hoje as velocidades de corte para superligas de alta temperatura à base de Ni e Co difíceis de usinar (HTSA) são baixas: normalmente na faixa de 25-50 m/min (80-160 sfm). Como podemos expandir os limites de velocidade?
Materiais cerâmicos exóticos já se tornaram materiais de corte. O uso de material cerâmico exótico garante um nível totalmente diferente de velocidades de corte. Por exemplo, usinando as superligas com ferramentas de cerâmica, a velocidade de corte de 1000 m/min (3300 sfm) é totalmente real. Portanto, as ferramentas cerâmicas se tornam cada vez mais comuns na usinagem de HTSA.
Recentemente, a ISCAR desenvolveu uma família de fresas de faceamento com insertos intercambiáveis de dupla face feitos de cerâmica (Fig. 1). As fresas são destinadas principalmente a usinagem de desbaste e semiacabamento de faces e superfícies 3D em velocidades de corte extremamente altas. O projeto econômico da pastilha de dupla face proporciona excelente benefício na utilização de cerâmica. As pastilhas são feitas de diferentes classes de cerâmica, como a cerâmica "preta", cerâmica reforçada com filamentos e SiAlON (um tipo de cerâmica à base de nitreto de silício). As aplicações das novas fresas visam maximizar a taxa de remoção de material (MRR) e reduzir drasticamente o tempo de ciclo.
Mais um exemplo de uso bem-sucedido da usinagem como cerâmica é outro dos produtos mais recentes da ISCAR: uma família de fresas de topo sólidas de SiAlON. As fresas de topo foram projetadas especificamente para usinagem produtiva em desbaste de superligas à base de Ni, como diferentes classes de Inconel, Incoloy, Haynes, etc. na indústria aeroespacial. Em comparação com as fresas de topo inteiriças de metal duro típicas, as fresas de topo de SiAlON permitem um aumento na velocidade de corte de até 50 vezes!
Deve-se observar que as ferramentas cerâmicas se comportam de maneira diferente das ferramentas de metal duro. Geralmente, o fim da vida útil da ferramenta é determinado pelo nível de acabamento superficial aceitável ou rebarbas geradas e não pelo tamanho do desgaste de flanco da aresta de corte.
Usinagem com Diamante
Na fabricação de peças de compósitos, a furação é amplamente considerada a principal operação de corte. A melhoria nas capacidades das ferramentas de furação teve um impacto direto na eficácia da usinagem de compósitos e pilhas de compósitos.
Mais recentemente, a ISCAR introduziu uma série de novas brocas sólidas, na faixa de diâmetro de 3,3-12 mm (.130-.500 "), que são especialmente projetadas para compósitos (Fig. 2). A característica comum dessas ferramentas é o uso de diamante policristalino (PCD) ou revestimento de diamante para garantir alta resistência ao desgaste por abrasão. Existem vários tipos dessas novas brocas; um deles é baseado no uso de uma ponta inteiriça soldada de PCD e o outro em as arestas de corte que são segmentos de PCD soldados. Ambos os tipos de broca oferecem uma grande área para múltiplas reafiações.
O terceiro tipo de broca são ferramentas inteiriças de metal duro com uma área de corte revestida de diamante. Sua ponta ondulada facilita a redução da formação de rebarbas, principalmente ao furar plásticos reforçados com fibra de carbono (CFRP) e pilhas de CFRP-Alumínio.
Refrigeração que Soluciona
Na usinagem de superligas exóticas, o fornecimento eficaz do líquido refrigerante é a pedra fundamental do sucesso. A refrigeração de alta pressão (HPC) localizada pode ser uma ferramenta significativa para melhorar o desempenho da ferramenta de corte. É um recurso real para maior vida útil da ferramenta, melhor controle de cavacos e maior produtividade.
Um dos últimos desenvolvimentos da ISCAR é uma família de ferramentas de torneamento onde são montadas pastilhas intercambiáveis do tipo ISO (Fig. 3). O projeto da ferramenta utiliza um grampo superior de fixação confiável das pastilhas, mesmo durante cortes pesados e interrompidos. As ferramentas de torneamento anteriores com a opção HPC tinham um mecanismo de fixação por alavanca, pois uma braçadeira superior impediria um jato de refrigerante de atingir a aresta de corte.
As ferramentas desenvolvidas recentemente integram uma braçadeira superior oca que permite resolver dois problemas:
- fixação forte e rígida da pastilha
- eliminação de qualquer obstáculo para o jato de refrigerante em seu caminho para a aresta de corte
Assim, a braçadeira, que serve nas novas ferramentas como bocal de refrigeração, recebeu um importante recurso funcional adicional.
Os novos produtos com refrigeração através da ferramenta são benéficos não apenas na usinagem com HPC. Sua aplicação em torneamento com refrigeração externa convencional de "baixa" pressão (10-15 bar) também oferece melhor desempenho.
Em cortes e canais, especialmente em canais profundos, a formação de cavacos eficiente tem um significado crucial. A refrigeração de alta pressão com precisão na aresta de corte diminui significativamente o entupimento de cavacos e contribui na eliminação da aresta postiça. No ano passado, a ISCAR expandiu a gama de seus produtos de HPC, introduzindo novas ferramentas de canal de face com opção de HPC (Fig. 4). Essas ferramentas são adequadas para pressão de refrigeração de até 140 bar.
Inovação em Geometria de Corte Nunca Para
Todas as possibilidades são esgotadas quando melhorando a geometria de corte. Uma boa evidência de tal conclusão é a variedade de novas soluções das pastilhas indexáveis existentes. Normalmente, essas soluções estão relacionadas à formação avançada de cavacos, aresta de corte reforçada e preparação de aresta progressiva.
O novo formador de cavacos F3S da ISCAR para torneamento em acabamento de superligas exóticas (Fig. 5) foi projetado para pastilhas populares do tipo ISO (CNMG, WNMG etc.). Uma operação de acabamento típica é caracterizada pela baixa profundidade de corte e baixo avanço. Portanto, o sucesso de um formador de cavacos está em uma pequena área adjacente à aresta de corte da pastilha. É necessária uma verdadeira "arte" de engenharia e muito esforço para redesenhar esta área para um desempenho muito melhor quando comparado com as pastilhas existentes.
F3F dá um exemplo de como fazer isso com sucesso. Possui uma aresta de corte reforçada para evitar desgaste tipo entalhe, bem como uma geometria de corte especialmente projetada para controle eficiente de cavacos no torneamento de acabamento HTSA. Em combinação com uma inclinação positiva, esses recursos garantem um corte suave e fácil, notável capacidade de quebra de cavacos e redução significativa nas forças de corte.
A usinagem de materiais exóticos coloca os fabricantes de ferramentas diante de diferentes desafios. No desenvolvimento de uma ferramenta de corte que levará a uma inovação, os fabricantes de ferramentas tentam de tudo. Às vezes, suas soluções são realmente "exóticas", outras vezes o pensamento inovador permite ir em frente na direção tradicional. No caso da ISCAR, pode-se ver claramente que o progresso no sentido de encontrar a resposta certa para as necessidades da indústria metalúrgica na usinagem de materiais exóticos não parou.
