Alumínio para usinagem CNC - Materiais
O alumínio é um dos materiais mais usinados disponíveis atualmente. De fato, os processos de usinagem CNC em alumínio ocupam o segundo lugar em frequência de execução, atrás apenas do aço. Isso se deve principalmente à sua excelente usinabilidade.
Em sua forma mais pura, o elemento químico alumínio é macio, dúctil, não magnético e de aparência branco-prateada. No entanto, o elemento não é usado apenas em sua forma pura. O alumínio é geralmente ligado a vários elementos, como manganês, cobre e magnésio, para formar centenas de ligas de alumínio com diversas propriedades significativamente aprimoradas.
Este artigo explora os processos, ferramentas, parâmetros e desafios envolvidos na usinagem CNC de alumínio e suas ligas. Também aborda as propriedades do alumínio, as ligas mais populares utilizadas na usinagem CNC, bem como a aplicação do alumínio em diversas indústrias.
Usinabilidade
O alumínio é facilmente moldado, trabalhado e usinado por meio de diversos processos. Pode ser cortado de forma rápida e fácil por máquinas-ferramenta, pois é macio e lasca com facilidade. Além disso, é mais barato e requer menos energia para usinagem do que o aço. Essas características são de imensa vantagem tanto para o operador da máquina quanto para o cliente que encomenda a peça. Ademais, a boa usinabilidade do alumínio significa que ele se deforma menos durante a usinagem. Isso resulta em maior precisão, pois permite que as máquinas CNC alcancem tolerâncias mais rigorosas.
Relação força-peso
O alumínio tem cerca de um terço da densidade do aço, o que o torna relativamente leve. Apesar da leveza, o alumínio possui alta resistência. Essa combinação de resistência e leveza é descrita como a relação resistência/peso dos materiais. A alta relação resistência/peso do alumínio o torna ideal para peças necessárias em diversos setores, como o automotivo e o aeroespacial.
Resistência à Corrosão
O alumínio é resistente a riscos e à corrosão em condições marinhas e atmosféricas comuns. Essas propriedades podem ser aprimoradas por meio da anodização. É importante observar que a resistência à corrosão varia entre os diferentes tipos de alumínio. No entanto, os tipos de alumínio mais frequentemente usinados por CNC apresentam a maior resistência.
Desempenho em baixas temperaturas
A maioria dos materiais tende a perder algumas de suas propriedades desejáveis em temperaturas abaixo de zero. Por exemplo, tanto o aço carbono quanto a borracha tornam-se quebradiços em baixas temperaturas. O alumínio, por sua vez, mantém sua maciez, ductilidade e resistência em temperaturas muito baixas.
Condutividade elétrica
A condutividade elétrica do alumínio puro é de aproximadamente 37.7 milhões de siemens por metro à temperatura ambiente. Embora as ligas de alumínio possam apresentar condutividades inferiores à do alumínio puro, elas são suficientemente condutivas para que seus componentes sejam utilizados em peças elétricas. Por outro lado, o alumínio seria um material inadequado se a condutividade elétrica não for uma característica desejável para uma peça usinada.
Reciclabilidade
Por ser um processo de fabricação subtrativo, a usinagem CNC gera uma grande quantidade de cavacos, que são resíduos. O alumínio é altamente reciclável, o que significa que sua reciclagem requer relativamente pouca energia, esforço e custo. Isso o torna preferível para quem deseja recuperar investimentos ou reduzir o desperdício de material. Além disso, faz do alumínio um material mais ecológico para usinagem.
Potencial de anodização
A anodização, um processo de acabamento superficial que aumenta a resistência ao desgaste e à corrosão de um material, é fácil de realizar em alumínio. Esse processo também facilita a coloração de peças de alumínio usinadas.
Ligas de alumínio populares para usinagem CNC
Com base na nossa experiência na Xometry, as seguintes 5 classes de alumínio estão entre as mais utilizadas para usinagem CNC.
EN AW-2007/3.1645/AlCuMgPb
Designações alternativas: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.
Esta liga de alumínio tem o cobre como principal elemento de liga (4-5%). É uma liga de granulometria curta, durável, leve, altamente funcional e com as mesmas elevadas propriedades mecânicas da liga AW 2030. Também é adequada para rosqueamento, tratamento térmico e usinagem de alta velocidade. Todas essas propriedades tornam a liga EN AW 2007 amplamente utilizada na produção de peças de máquinas, parafusos, rebites, porcas, arruelas e barras roscadas. No entanto, esta liga de alumínio apresenta baixa soldabilidade e baixa resistência à corrosão; portanto, recomenda-se a realização de anodização protetora após a usinagem da peça.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Designações alternativas: 3.3547; Liga 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7
A liga AW 5083 é reconhecida por seu excelente desempenho em ambientes severos. Ela contém magnésio e pequenas quantidades de cromo e manganês. Essa liga apresenta altíssima resistência à corrosão, tanto em ambientes químicos quanto marinhos. De todas as ligas não tratáveis termicamente, a AW 5080 possui a maior resistência mecânica, propriedade que mantém mesmo após a soldagem. Embora essa liga não deva ser utilizada em aplicações com temperaturas superiores a 65 °C, ela se destaca em aplicações de baixa temperatura.
Devido ao seu conjunto de propriedades desejáveis, o AW 5080 é utilizado em inúmeras aplicações, incluindo equipamentos criogênicos, aplicações marítimas, equipamentos pressurizados, aplicações químicas, construções soldadas e carrocerias de veículos.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Designações alternativas: 3.3535; Liga 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
Sendo uma liga de alumínio-magnésio forjada com a maior porcentagem de alumínio, a AW 5754 pode ser laminada, forjada e extrudada. Também não é tratável termicamente e pode ser trabalhada a frio para aumentar sua resistência, porém com menor ductilidade. Além disso, essa liga possui excelente resistência à corrosão e alta resistência mecânica. Considerando essas propriedades, é compreensível que a AW 5754 seja uma das ligas de alumínio mais populares para usinagem CNC. Ela é tipicamente utilizada em estruturas soldadas, pisos, equipamentos de pesca, carrocerias de veículos, processamento de alimentos e rebites.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Designações alternativas: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B221; AlMgSi0,5
Trata-se de uma liga de alumínio forjado contendo magnésio e silício. É tratável termicamente e possui resistência média, boa soldabilidade e boa conformabilidade. Também apresenta alta resistência à corrosão, propriedade que pode ser ainda mais aprimorada por meio da anodização. A liga EN AW 6060 é frequentemente utilizada na construção civil, processamento de alimentos, equipamentos médicos e engenharia automotiva.
EN AW-7075/3.4365/Al-Zn6MgCu
Designações alternativas: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.
O zinco é o principal elemento de liga neste tipo de alumínio. Embora o EN AW 7075 apresente usinabilidade mediana, propriedades de conformação a frio deficientes e não seja adequado para soldagem e brasagem, possui alta relação resistência/densidade, excelente resistência a ambientes atmosféricos e marinhos e resistência comparável à de algumas ligas de aço. Esta liga é empregada em uma ampla gama de aplicações, incluindo quadros de asa delta e bicicletas, equipamentos de escalada, armamentos e fabricação de moldes.
EN AW-6061/3.3211/Al-Mg1SiCu
Designações alternativas: 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Essa liga contém magnésio e silício como seus principais elementos de liga, com traços de cobre. Com uma resistência à tração de 180 MPa, trata-se de uma liga de alta resistência, muito adequada para estruturas submetidas a cargas elevadas, como andaimes, vagões ferroviários, peças de máquinas e componentes aeroespaciais.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Designações alternativas: 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Normalmente formada por laminação e extrusão, essa liga possui resistência média, com excelente soldabilidade e condutividade térmica. Apresenta alta resistência à corrosão sob tensão. Sua resistência à tração varia de 140 a 330 MPa. É amplamente utilizada em construções offshore e na fabricação de contêineres.
Processos de usinagem CNC de alumínio
É possível usinar alumínio por meio de diversos processos de usinagem CNC disponíveis atualmente. Alguns desses processos são os seguintes:
Torneamento CNC
Nas operações de torneamento CNC, a peça gira enquanto a ferramenta de corte de ponto único permanece estacionária em seu eixo. Dependendo da máquina, a peça ou a ferramenta de corte realiza o movimento de avanço uma contra a outra para remover o material.
Fresagem CNC
As operações de fresamento CNC são as mais comuns na usinagem de peças de alumínio. Essas operações envolvem a rotação de uma ferramenta de corte multiponto em torno de seu eixo, enquanto a peça permanece estacionária em seu próprio eixo. A ação de corte e, consequentemente, a remoção de material são obtidas pelo movimento de avanço da peça, da ferramenta de corte ou de ambos. Esse movimento pode ser realizado em múltiplos eixos.
Embolsando
Também conhecido como fresamento de cavidades, o fresamento de cavidades é uma forma de fresamento CNC em que uma cavidade oca é usinada em uma peça.
Diante
Em usinagem, o faceamento consiste em criar uma área de seção transversal plana na superfície de uma peça de trabalho por meio de torneamento frontal ou fresamento frontal.
Perfuração CNC
A furação CNC é o processo de fazer um furo em uma peça de trabalho. Nessa operação, uma ferramenta de corte rotativa de múltiplos pontos, com dimensões específicas, move-se em linha reta perpendicular à superfície a ser perfurada, criando assim um furo.
Ferramentas para usinagem de alumínio
Existem diversos fatores que influenciam a seleção de uma ferramenta para usinagem CNC de alumínio.
Design de ferramentas
Existem diferentes aspectos da geometria de uma ferramenta que contribuem para sua eficiência na usinagem de alumínio. Um deles é o número de canais de corte. Para evitar dificuldades na evacuação de cavacos em altas velocidades, as ferramentas de corte para usinagem CNC de alumínio devem ter de 2 a 3 canais. Um número maior de canais resulta em vales de cavacos menores. Isso fará com que os cavacos grandes produzidos por ligas de alumínio fiquem presos. Quando as forças de corte são baixas e a remoção de cavacos é crítica para o processo, deve-se usar 2 canais. Para um equilíbrio perfeito entre remoção de cavacos e resistência da ferramenta, use 3 canais.
Ângulo Helix
O ângulo de hélice é o ângulo entre a linha central de uma ferramenta e uma linha reta tangente à aresta de corte. É uma característica importante das ferramentas de corte. Embora um ângulo de hélice maior remova os cavacos da peça mais rapidamente, ele aumenta o atrito e o calor durante o corte. Isso pode fazer com que os cavacos se soldem à superfície da ferramenta durante a usinagem CNC de alumínio em alta velocidade. Um ângulo de hélice menor, por outro lado, produz menos calor, mas pode não remover os cavacos de forma eficaz. Para usinagem de alumínio, um ângulo de hélice de 35° ou 40° é adequado para desbaste, enquanto um ângulo de hélice de 45° é o mais indicado para acabamento.
Ângulo de folga
O ângulo de folga é outro fator importante para o funcionamento adequado de uma ferramenta. Um ângulo excessivamente grande faria com que a ferramenta penetrasse na peça e vibrasse. Por outro lado, um ângulo muito pequeno causaria atrito entre a ferramenta e a peça. Ângulos de folga entre 6° e 10° são os mais adequados para usinagem CNC de alumínio.
Material de ferramenta
O carboneto é o material preferido para ferramentas de corte usadas na usinagem CNC de alumínio. Como o alumínio é um material macio de cortar, o que importa em uma ferramenta de corte para alumínio não é a dureza, mas a capacidade de manter um fio extremamente afiado. Essa capacidade está presente nas ferramentas de carboneto e depende de dois fatores: o tamanho do grão de carboneto e a proporção de aglomerante. Enquanto um tamanho de grão maior resulta em um material mais duro, um tamanho de grão menor garante um material mais resistente e com maior resistência ao impacto, que é exatamente a propriedade que buscamos. Grãos menores requerem cobalto para atingir a estrutura de grãos finos e a resistência do material.
No entanto, o cobalto reage com o alumínio em altas temperaturas, formando uma camada de alumínio sobre a superfície da ferramenta. A chave é usar uma ferramenta de metal duro com a quantidade correta de cobalto (2-20%) para minimizar essa reação, mantendo a resistência necessária. As ferramentas de metal duro geralmente suportam melhor do que as ferramentas de aço as altas velocidades associadas à usinagem CNC de alumínio.
Além do material da ferramenta, o revestimento é um fator importante na eficiência de corte. Revestimentos de ZrN (nitreto de zircônio), TiB2 (diboreto de titânio) e revestimentos tipo diamante são alguns exemplos de revestimentos adequados para ferramentas usadas na usinagem CNC de alumínio.
Alimentações e velocidades
A velocidade de corte é a velocidade de rotação da ferramenta de corte. O alumínio suporta velocidades de corte muito altas; portanto, a velocidade de corte para ligas de alumínio depende dos limites da máquina utilizada. A velocidade deve ser a mais alta possível na usinagem CNC de alumínio, pois isso reduz a possibilidade de formação de arestas postiças, economiza tempo, minimiza o aumento da temperatura na peça, melhora a quebra de cavacos e aprimora o acabamento. A velocidade exata varia de acordo com a liga de alumínio e o diâmetro da ferramenta.
A taxa de avanço é a distância que a peça ou ferramenta percorre por revolução da ferramenta. O avanço utilizado depende do acabamento desejado, da resistência e da rigidez da peça. Cortes de desbaste requerem um avanço de 0.15 a 2.03 mm/rev, enquanto cortes de acabamento requerem um avanço de 0.05 a 0.15 mm/rev.
Fluido de corte
Apesar de ser facilmente usinável, nunca corte alumínio a seco, pois isso favorece a formação de arestas postiças. Os fluidos de corte adequados para usinagem CNC de alumínio são emulsões de óleo solúvel e óleos minerais. Evite fluidos de corte que contenham cloro ou enxofre ativo, pois esses elementos mancham o alumínio.
Processos de pós-usinagem
Após a usinagem de uma peça de alumínio, existem certos processos que podem ser realizados para aprimorar as características físicas, mecânicas e estéticas da peça. Os processos mais comuns são os seguintes:
Jateamento com microesferas e areia
A jateamento com microesferas é um processo de acabamento com fins estéticos. Nesse processo, a peça usinada é jateada com minúsculas microesferas de vidro utilizando uma pistola de ar comprimido de alta pressão, removendo material de forma eficaz e garantindo uma superfície lisa. Isso confere ao alumínio um acabamento acetinado ou fosco. Os principais parâmetros do processo de jateamento com microesferas são o tamanho das microesferas de vidro e a pressão do ar utilizada. Utilize esse processo somente quando as tolerâncias dimensionais da peça não forem críticas.
Outros processos de acabamento incluem polimento e pintura.
Acabamento
Isso envolve revestir uma peça de alumínio com outro material, como zinco, níquel e cromo. O objetivo é melhorar os processos de fabricação da peça e pode ser alcançado por meio de processos eletroquímicos.
Anodização
A anodização é um processo eletroquímico no qual uma peça de alumínio é mergulhada em uma solução diluída de ácido sulfúrico, e uma voltagem elétrica é aplicada entre o cátodo e o ânodo. Esse processo converte as superfícies expostas da peça em um revestimento duro de óxido de alumínio, eletricamente inerte. A densidade e a espessura do revestimento criado dependem da consistência da solução, do tempo de anodização e da corrente elétrica. A anodização também pode ser utilizada para colorir uma peça.
Powder Coating
O processo de pintura a pó consiste em revestir uma peça com pó polimérico colorido, utilizando uma pistola de pulverização eletrostática. A peça é então deixada a curar a uma temperatura de 200 °C. A pintura a pó melhora a resistência e a durabilidade, bem como a resistência ao desgaste, à corrosão e ao impacto.
Tratamento térmico
Peças fabricadas com ligas de alumínio tratáveis termicamente podem passar por tratamento térmico para melhorar suas propriedades mecânicas.
Aplicações de peças de alumínio usinadas por CNC na indústria
Como mencionado anteriormente, as ligas de alumínio possuem diversas propriedades desejáveis. Portanto, peças de alumínio usinadas por CNC são indispensáveis em vários setores industriais, incluindo os seguintes:
- Indústria aeroespacialDevido à sua elevada relação resistência/peso, diversos acessórios para aeronaves são fabricados em alumínio usinado;
- AutomotivaAssim como na indústria aeroespacial, diversas peças, como eixos e outros componentes, na indústria automotiva são feitas de alumínio;
- ElectricalDevido à sua alta condutividade elétrica, as peças de alumínio usinadas por CNC são frequentemente utilizadas como componentes eletrônicos em aparelhos elétricos;
- Alimentos/farmacêuticosPor não reagirem com a maioria das substâncias orgânicas, as peças de alumínio desempenham papéis importantes nas indústrias alimentícia e farmacêutica;
- EsportesO alumínio é frequentemente usado para fabricar equipamentos esportivos, como tacos de beisebol e apitos esportivos;
- CriogeniaA capacidade do alumínio de manter suas propriedades mecânicas em temperaturas abaixo de zero torna as peças de alumínio desejáveis para aplicações criogênicas.