O alumínio, um metal não ferroso, é o terceiro elemento mais abundante (8.23%) na crosta terrestre. Hans Orsted foi o primeiro a isolá-lo em 1827. Embora não seja tão antigo em comparação com os metais ferrosos, tem sido uma escolha popular em todas as indústrias devido à sua resistência, corrosão e, o mais importante, natureza leve.
Em ambientes de alto risco, como aeroespaço e automotivo fabricação, a precisão é fundamental. Cada grama e dimensão precisa podem impactar o desempenho e a eficiência geral. Portanto, o alumínio precisa passar por meticulosos processos de usinagem CNC para atender a esses padrões exigentes.
Este guia detalhado explica o processo de usinagem CNC de alumínio, as ligas de alumínio que são favoráveis para usinagem e as principais aplicações de peças de alumínio usinadas CNC.
Usinagem CNC de Alumínio: Processos e Equipamentos
Alumínio fazendo à máquina do CNC refere-se à utilização de equipamentos informatizados (máquinas CNC) para cortar e modelar chapas de alumínio com extrema precisão. As máquinas comuns empregadas para esta finalidade são:
Fresadoras CNC
Fresagem CNC as máquinas usam uma ferramenta de corte rotativa para cortar, modelar e remover material de uma peça de trabalho. A broca da ferramenta tem a flexibilidade de se mover em vários eixos (X, Y e Z) para atingir a forma e as dimensões desejadas. CNCs de 3 a 5 eixos são comuns para fresamento de alumínio.
Essas máquinas são ideais para criar superfícies detalhadas, ranhuras e formas complexas – aquelas exigidas na indústria automotiva e aeroespacial. Ferramentas de corte rotativas (fresas de topo, fresas de face e cortadores de esferas) são usadas para operações de fresamento.
Centros de Torneamento CNC
In Torneamento CNC, uma peça estacionária desliza contra uma peça rotativa, moldando-se ao formato do projeto. Essa modelagem é principalmente para peças cilíndricas de alumínio simétricas, como hastes, eixos e fixadores. Uma ferramenta de corte de ponta única é usada para aparar a face e reduzir o diâmetro.
Cortadores de laser CNC
O cortador a laser CNC usa um feixe de luz de alta potência (laser) para vaporizar a superfície do metal e criar um corte nítido. Ao contrário das ferramentas mecânicas, o tamanho do ponto do feixe de laser é fino e resulta em cortes afiados altamente precisos. No entanto, a espessura de corte é limitada.
Além de cortar, essas ferramentas podem marcar e gravar alumínio. Portanto, as aplicações ideais são dispositivos de marcação em eletrônicos e outras indústrias.
Cortadores de água
Um cortador a jato de água usa um jato de água de alta pressão, misturado com partículas abrasivas, para cortar materiais. Não induz estresse térmico ao material, preservando as propriedades mecânicas do alumínio.
O jato de água é usado para cortar placas de alumínio mais espessas e é preferido em cenários onde a distorção térmica deve ser evitada.
Por que escolher o alumínio para peças CNC?
O alumínio é o metal mais abundante na crosta terrestre. E possui todas as características desejadas que atendem à maioria das necessidades de nossos produtos:
Alta Relação Resistência/Peso
O alumínio é conhecido por sua natureza leve, mas possui uma das mais altas relações resistência-peso entre os materiais de engenharia. Este atributo é precioso em aplicações críticas como aeroespacial e automotiva, onde é necessário reduzir o peso sem comprometer a resistência.
Ótima usinabilidade
Todo metal requer alguma forma de corte e modelagem por meio de máquinas. Neste aspecto o alumínio se comporta bem. É macio e relativamente mais fácil de usinar, pois se desprende facilmente. Além disso, leva menos tempo, o que reduz os custos de usinagem.
Resistência à Corrosão
Ao contrário dos metais ferrosos que enferrujam devido à formação da camada de óxido, muitos tipos de alumínio são inerentemente resistentes à corrosão. No entanto, essa tendência varia ao longo da série. A série 6061 é bem conceituada por sua resistência. Considerando que as ligas de alumínio contendo cobre são menos resistentes à corrosão.
Condutividade elétrica
No gráfico de condutividade dos metais industriais comumente usados, o alumínio puro fica logo abaixo do cobre. De acordo com o IACS, cobre a condutividade está na faixa de 58 a 62 milhões de S/m, enquanto o alumínio puro está na faixa de 35 a 38 milhões de S/m. Os valores de ferro, aço carbono e aço inoxidável são 10, 7 e 1.5, respectivamente. No entanto, as ligas de alumínio são menos condutivas.
Potencial de anodização
A anodização do alumínio é uma vantagem única, principalmente quando são necessárias durabilidade e estética. A anodização não só aumenta a resistência à corrosão do alumínio, mas também permite a coloração, o que pode ser benéfico para os produtos de consumo.
Reciclabilidade
De acordo com o International Aluminum Institute, 75% de todo o alumínio já produzido ainda está em uso hoje. Além disso, cerca de 30 milhões de toneladas de alumínio são recicladas anualmente, reduzindo a necessidade de produção de alumínio virgem. Essa alta taxa de reciclagem ressalta o papel do alumínio como uma escolha de material sustentável.
Série comum de alumínio para usinagem CNC
De acordo com o sistema Internacional de Designação de Ligas, todos os elementos de liga metálica são representados por 4 dígitos que definem o metal central e as ligas presentes. Um alfabeto após o nome da série representa o processo de tratamento de superfície.
Normalmente, o alumínio vem em 7 séries diferentes, começando de 1000 a 7000. Ele começa com alumínio padrão puro e depois muda para ligas. Um grau 8000 com elementos de terras raras também está disponível, mas é menos comum.
Série 1xxx – Alumínio Puro
Esta série é a mais pura, composta por 99% ou mais de alumínio. Possui todas as características inerentes ao Alumínio; excelente resistência à corrosão e alta condutividade elétrica e térmica. É por isso que suas aplicações comuns são tanques e tubulações de produtos químicos.
A resistência à tração dessas ligas fica entre 69 e 186 MPa. As ligas da série 1xxx podem ser soldadas, mas não são tratáveis termicamente.
Série 2xxx – Ligas Al-Cobre
A adição de cobre melhora o aspecto de usinagem e a resistência à tração, chegando a 420 MPa. É predominantemente utilizado na indústria aeroespacial, onde a sua elevada resistência a várias temperaturas é crucial, embora muitas vezes exija revestimentos para melhor resistência à corrosão.
Série 3xxx – Ligas de Al-Manganês
Esta série aumenta a resistência mecânica através da adição de manganês. Eles têm uma resistência à tração moderada entre 110 e 290 MPa e também são tratáveis a quente. As aplicações comuns são embalagens de alimentos, utensílios de cozinha e aplicações em chapas metálicas.
Série 4xxx – Liga de Al-Silicon
A série 4000 é caracterizada pela inclusão de silício, que reduz os pontos de fusão e melhora a fluidez nos estados fundidos, tornando-a mais adequada para aplicações de fundição. Suas principais aplicações são revestimentos, enchimentos de soldagem e extrusões arquitetônicas.
Série 5xxx – Liga de Al-Magnésio
O magnésio, o principal elemento de liga, confere alta resistência e excelente resistência à corrosão a esta série. As ligas são bastante resistentes aos álcalis e facilmente soldáveis, o que as torna perfeitas para aplicações marítimas. O membro da série, a liga 5083, é notável por sua resistência à água do mar e à exposição a produtos químicos.
Série 6xxx – Liga Al-Magnésio-Silício
Esta série é conhecida por sua conformabilidade, soldabilidade e resistência à corrosão. Podem sofrer qualquer tratamento térmico para atingir as características desejadas. Alloy 6061 é um nome bastante popular (também econômico), usado para bicicletas elétricas, barcos e chassis de caminhões.
Série 7xxx – Liga de Al-Zinco
A mais forte da linha, esta série é ligada principalmente com zinco e é preferida na indústria aeroespacial e em artigos esportivos por sua excepcional relação resistência-peso e resistência ao estresse. As ligas podem ser soldadas, mas é necessário extremo cuidado.
Ligas de alumínio populares para usinagem CNC
| Ligas de Alumínio | Resistência à tração (MPa) **(Valores Aprox.) | Aplicações comuns |
| alumínio 2007 | 270-400 | Peças de máquinas, cavilhas, rebites, porcas, parafusos, barras roscadas. |
| alumínio 2024 | 250-400 | Componentes estruturais aeroespaciais. |
| alumínio 5052 | 170-305 | Ambientes marítimos, tanques de combustível automotivo, sinalização rodoviária. |
| alumínio 5083 | 270-345 | Equipamentos criogênicos, aplicações marítimas, equipamentos sob pressão, aplicações químicas, construções soldadas. |
| alumínio 5754 | 190-240 | Estruturas soldadas, pisos, equipamentos de pesca, carrocerias de veículos, processamento de alimentos, rebites. |
| alumínio 6060 | 190 | Construção, processamento de alimentos, equipamentos médicos, engenharia automotiva. |
| alumínio 6061 | 180 - 270 | Estruturas altamente carregadas, andaimes, vagões ferroviários, peças de máquinas, aplicações de uso geral. |
| alumínio 6063 | 180 | Aplicações arquitetônicas, caixilhos de janelas, caixilhos de portas, telhados |
| alumínio 6082 | 290 | Construção offshore, contêineres |
| alumínio 7075 | 500-572 | Quadros de bicicletas, equipamentos de escalada, armamento, fabricação de ferramentas de molde, aplicações avançadas de engenharia |
** Estes são apenas valores aproximados. Os exatos dependem do processo de tratamento; Consulte o fabricante para valores precisos.
Principais considerações ao usinar alumínio CNC
Ao usar alumínio, estes poucos aspectos técnicos precisam ser mantidos em mente:
Material de ferramenta
O alumínio é macio, por isso requer uma ferramenta de corte duro como o metal duro. Nas ferramentas de metal duro, a estrutura do grão também é de primordial importância. E é a presença do cobalto que ajuda a alcançar essa estrutura fina. Porém, o cobalto quando reage com o alumínio causa acúmulo de goma na ferramenta. Portanto, é preferida uma proporção ideal de 2 a 20% na ferramenta de metal duro.
Além disso, o revestimento também importa. Fresas com diamante, diboreto de titânio (TiB2) e nitreto de zircônio (ZrN).
Projeto e orientação de ferramentas
As fresas de topo possuem canais – seu número determina a facilidade da operação de usinagem. A recomendação é de 2 a 3 flautas; dois canais oferecem folga ideal de cavacos, enquanto três canais equilibram a folga de cavacos com a resistência da ferramenta.
O ângulo de hélice e o ângulo de folga também são críticos: um ângulo de hélice de 35° ou 40° é eficaz para desbaste e um ângulo de 45° é melhor para acabamento. Os ângulos de folga devem estar entre 6° e 10°.
Taxa de alimentação e velocidade
A velocidade de corte refere-se à velocidade de rotação da ferramenta de corte. Deve ser escolhido com base no tipo de liga de alumínio. Em geral, recomenda-se uma velocidade de corte mais alta para evitar arestas postiças e reduzir a geração de calor.
A taxa de avanço é a taxa de avanço da ferramenta. Essas taxas variam de acordo com o acabamento exigido; cortes brutos podem usar um avanço de 0.15 a 2.00 mm/rot, enquanto cortes de acabamento podem usar 0.05 a 0.20 mm/rot.
Fluido de corte
Cortar alumínio a seco é desastroso devido à formação de arestas postiças. Use óleos minerais não diluídos e evite quaisquer fluidos que contenham enxofre ativo ou cloro, pois podem manchar o alumínio.
Peças de Alumínio: Técnicas de Acabamento
Uma superfície de metal está sujeita a enferrujar ou corroer se não for acabada. Da mesma forma, o Alumínio passa por algumas técnicas de acabamento que servem apenas para fins de proteção, mas também agregam um elemento estético.
Jato de areiaing
O jato de areia é o jato de partículas finas de areia em alta velocidade na superfície de alumínio usando ar comprimido. Este processo limpa a superfície removendo quaisquer impurezas ou resíduos e cria uma textura uniforme e fosca. É útil para preparar o metal para acabamento posterior ou para obter uma aparência superficial específica.
Anodização
A anodização é um processo eletroquímico que engrossa a camada natural de óxido na superfície das peças de alumínio. A camada adicionada melhora a resistência à corrosão, aumenta a dureza superficial e permite o tingimento do alumínio.
Powder Coating
O revestimento em pó aplica um pó seco no alumínio. Em seguida, é curado sob calor para formar uma camada fina. Este revestimento é resistente, protetor e está disponível em várias cores. O acabamento superficial é de alta qualidade e melhor que a pintura padrão.
Desafios na usinagem de alumínio
Embora o alumínio seja macio e leve, sua usinagem apresenta alguns desafios únicos:
Acúmulo de goma
O alumínio tem um baixo ponto de fusão (660°C) – o calor de fricção gerado durante o corte ou retificação pode fazer com que o metal amoleça e adira à ferramenta de corte, criando um efeito de “goma”. Para mitigar isso, é aconselhável utilizar fresas de metal duro acompanhadas de lubrificação contínua através de névoa de etanol.
Custos mais elevados, riscos mais elevados
O alumínio é mais caro do que muitos outros metais comuns, portanto os custos associados à substituição/reparação de peças danificadas são significativamente mais elevados.
Risco de Contaminação
Quando exposto à atmosfera, o alumínio forma uma camada de óxido que pode ser prejudicial se não for removida antes da soldagem ou usinagem. Essa camada de óxido pode causar imperfeições e porosidade no produto final.
Estimativas de custos para usinagem CNC de alumínio
O custo é um fator crítico na usinagem, especialmente na produção em larga escala. Aqui estão os principais custos envolvidos no ciclo de vida de um produto de alumínio:
- Custo da matéria-prima: O preço do alumínio varia dependendo da espessura, qualidade e tamanho do material. Para uma estimativa aproximada, considere a liga de alumínio 6061 comum. Custa US$ 12 e US$ 15 por libra.
- Custo de Usinagem: Os custos operacionais das máquinas diferem com base em suas capacidades. Para uma máquina CNC de 3 eixos, o preço está entre US$ 25 e US$ 30 por hora. Para máquinas CNC de 5 eixos mais avançadas, o custo fica entre US$ 40 e US$ 50 por hora.
- Custo da ferramenta: A ferramenta de metal duro usada na usinagem de alumínio custa aproximadamente US$ 2 a 5 por peça.
Aplicações de peças de alumínio para máquinas CNC
O alumínio é um dos metais mais utilizados na indústria devido às suas características favoráveis e facilidade de usinagem. A Tabela 1 lista as aplicações do alumínio nos principais setores do dia a dia.
| Setor | Aplicações Específicas | Graus de Alumínio |
| Automotiva | Componentes do motor (pistões, cilindros) | 4032, 2618 |
| Transmissão e estrutural | 6061, 7075 | |
| Indústria aeroespacial | Quadros estruturais de aeronaves | 2024, 7075 |
| Componentes de Engrenagens | 7075, 2024 | |
| Fixadores e acessórios | 7075, 6061 | |
| Expositores e Eletrónica | Dissipadores de calor para gerenciamento térmico | 6063, 1100 |
| Gabinetes para aparelhos eletrônicos | 5052, 6061 | |
| Componentes para conectores e interruptores | 6061, 2024 | |
| Alimentos e Embalagens | Componentes de máquinas para processamento de alimentos | 6061, 5052 |
| Peças para máquinas de embalagem | 6061, 5052 | |
| Moldes para embalagens de alimentos | 3003, 6061 |
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