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Pastilhas CBN vs. Metal Duro: Qual é a ferramenta de corte mais adequada para a sua aplicação?
Uma pastilha errada numa peça de trabalho endurecida significa uma peça sucateada ou uma aresta arruinada. O CBN e o carboneto resolvem problemas diferentes. Este artigo diz-lhe exatamente quando utilizar cada um deles.
O que é uma pastilha CBN e como é fabricada?
CBN significa Nitreto de Boro Cúbico. É fabricado sob calor e pressão extremos, da mesma forma que os diamantes sintéticos são fabricados. Na escala de dureza Knoop, mede entre 4.000 e 5.000 KHN. Isto coloca-o apenas atrás do diamante em termos de dureza.
Então, porque não usar apenas diamantes? Porque o diamante reage com o ferro a altas temperaturas. Desagrega-se rapidamente no aço e no ferro fundido. O CBN não reage com o ferro. É por isso que o CBN funciona em metais ferrosos endurecidos e o diamante não.
Muitas pastilhas de CBN são feitas com uma camada de corte de CBN ligada a um substrato de metal duro, especialmente pastilhas de CBN com ponta ou soldadas. As pastilhas de CBN sólidas contêm material de CBN em todo o corpo da pastilha e são utilizadas para aplicações de maquinagem dura mais pesadas ou mais exigentes. A camada de CBN faz o trabalho de corte.
Pastilhas CBN com ponta
A pastilha CBN com ponta tem um pequeno segmento de CBN soldado num ou mais cantos de um corpo de metal duro. A maioria das lojas utiliza estas pastilhas para acabamento e semi-acabamento. As pastilhas de CBN com ponta estão disponíveis com um, dois ou até oito cantos utilizáveis. CNGA e DNGA são as formas mais comuns para torneamento CNC.
Pastilhas de CBN sólido (Maciço)
A inserto CBN sólidoÉ CBN em toda a sua extensão. O corpo inteiro absorve e espalha melhor o calor. Por isso, estas aguentam cargas mais pesadas e velocidades mais elevadas. Utilize CBN sólido quando estiver a desbastar aço endurecido ou a trabalhar à velocidade máxima do fuso em ferro fundido duro.
O que é uma pastilha de metal duro e onde é que ela atinge o seu limite?
Pastilhas de metal duro são fabricadas através da sinterização de partículas de carboneto de tungsténio num ligante de cobalto. O cobalto confere resistência à pastilha. A dureza situa-se entre 1.000 e 2.000 KHN, muito abaixo do CBN, mas ainda assim muito mais dura do que o aço rápido.
O metal duro é o material de ferramenta de corte mais utilizado na maquinagem CNC. Pode ser utilizado para tornear, fresar, furar e escarear. Aço carbono, inoxidável, alumínio, latão, titânio, a maioria das ligas não ferrosas. As classes revestidas vão mais longe em materiais mais duros e temperaturas mais elevadas.
Classes de metal duro revestido
Os revestimentos PVD como TiAlN e AlTiN aumentam a vida útil da ferramenta em aços mais duros. Algumas classes de metal duro revestido conseguem atingir 50 HRC. Abaixo de 45 HRC, o metal duro revestido é quase sempre suficiente.
Porque é que o metal duro falha em materiais duros
A temperatura é o problema nos materiais duros. O aglutinante de cobalto começa a amolecer acima dos 900°C. Quando isso acontece, a aresta de corte deforma-se. O desgaste acelera-se rapidamente. É por isso que é difícil utilizar carboneto acima de HRC 45 em materiais duros.
Gráfico de comparação de dureza CBN vs. carboneto
| Condição da peça de trabalho | Escolha comum de ferramentas | Notas |
|---|---|---|
| Inferior a 45 HRC | Pastilhas de metal duro / pastilhas de metal duro revestidas | Económica para torneamento geral, fresagem e perfuração |
| 45-50 HRC | Carboneto revestido ou CBN, consoante a aplicação | Escolha com base no tamanho do lote, tolerância, acabamento da superfície e objetivo de vida útil da ferramenta |
| Acima de 50 HRC, acabamento contínuo | Pastilhas de CBN com ponta | Normalmente utilizado para torneamento duro e acabamento estável |
| Acima de 50 HRC, cortes interrompidos ou mais pesados | Pastilhas sólidas de CBN / classes de CBN de alto teor | Melhor para impactos mais fortes ou condições de maquinagem mais duras |
| Tolerância muito apertada ou requisitos especiais de superfície | Torneamento duro ou retificação CBN | A seleção depende da geometria da peça, da tolerância e do acabamento da superfície |
O erro mais comum com a CBN
Utilizar CBN em material macio é um erro. O metal macio não corta de forma limpa; em vez disso, adere e arrasta contra a ferramenta. Este arrastamento danifica a aresta mais rapidamente do que os metais duros. Pode utilizar CBN para superfícies duras e dura mais tempo quando o material é duro. Se o material for inferior a 48 HRC, está a desperdiçar dinheiro porque a ferramenta irá desgastar-se muito rapidamente.
O erro mais comum com o metal duro
Utilizar metal duro acima de 50 HRC a velocidades normais. A vida útil da ferramenta diminui. O acabamento da superfície degrada-se rapidamente. Passa mais tempo a indexar pastilhas do que a cortar peças.
Resistência ao calor CBN vs Carbide: Que inserto suporta altas temperaturas?
O torneamento de aço endurecido gera mais de 1.000°C na ponta da ferramenta. Não às vezes. A toda a hora.
Como o CBN lida com o calor
O CBN mantém-se duro até cerca de 1.200°C. Assim, o calor não danifica a aresta. O CBN funciona a seco na maioria dos casos. A refrigeração intermitente é pior do que a ausência de refrigeração. As oscilações de temperatura quebram a camada de CBN. Se utilizar líquido de refrigeração, inunde-o desde o início e nunca pare a meio do corte.
Como o metal duro lida com o calor
As ferramentas de metal duro avariam a temperaturas de cerca de 800°C. Com este calor elevado, o aglutinante de cobalto no interior da ferramenta amolece e a aresta afiada perde a sua forma. A utilização de líquido de refrigeração é muito importante para o metal duro. Porque mantém a ferramenta fria e ajuda-a a durar muito mais tempo.
As pastilhas CBN podem substituir a retificação para acabamento de superfícies?
Muitas vezes, é isto que força a decisão de optar pela CBN.
Acabamento da superfície com pastilhas CBN
CBN em aço endurecido dá Ra 0,28 a 0,8 µm. As tolerâncias de mais ou menos 0,01 mm são normais. Os testes de torneamento duro a seco no AISI 4140 a 50 HRC confirmam que o CBN atinge Ra 0,28 µm em boas condições de corte.
Trata-se de uma qualidade ao nível da retificação. Um veio de transmissão endurecido a 62 HRC pode atingir a dimensão final e o acabamento espelhado numa passagem pelo torno. Sem máquina de retificação. Sem configuração adicional. Sem tempo de transferência entre máquinas.
Esta ferramenta produz uma qualidade tão boa como uma máquina de retificação. Por exemplo, pode terminar um veio de metal muito duro de 62 HRC no seu tamanho final e com um brilho espelhado numa só volta no torno. Não necessita de uma máquina de retificação, nem de passos adicionais para mover a peça entre diferentes máquinas.
Acabamento da superfície com carboneto em material duro
A utilização de carboneto em material duro proporciona um acabamento superficial de Ra 0,35 µm, na melhor das hipóteses. Este acabamento piora à medida que a ferramenta se desgasta. Se precisar de um acabamento perfeito em metal duro, o metal duro não é fiável.
Um sinal claro de que precisa de CBN é quando o acabamento parece bom nas primeiras peças, mas torna-se mau na peça 15 ou 20. Isto acontece porque o carboneto se desgasta muito rapidamente em superfícies duras.
Vida útil da ferramenta da pastilha CBN versus carboneto
Em material endurecido acima de HRC 50, o CBN dura cerca de 5 a 10 vezes mais do que o carboneto. Este número varia consoante a classe, o material e os parâmetros, por isso utilize-o como um guia aproximado.
Desgaste previsível com CBN
Na prática, o que se obtém com o CBN é um desgaste previsível. Faz-se um furo endurecido e sabe-se por experiência que a aresta lhe dará 50 peças limpas. Faz-se a indexação na peça 50. Sem surpresas. Essa consistência é importante quando se está a trabalhar em volume.
O desgaste do CBN aparece como uma alteração no acabamento da superfície antes de a peça sair da tolerância. Vê-se que está a chegar. Com carboneto em material duro, a falha da ferramenta tende a ser mais repentina. Uma peça está boa, a seguinte não está. Essa diferença é importante na maquinação sem supervisão.
Vida útil da ferramenta de metal duro em material duro vs. material macio
O carboneto em material duro é menos previsível. O desgaste é mais rápido e irregular. Uma pastilha aguenta mais tempo, a seguinte não. Na produção, essa inconsistência gera refugo.
Em materiais mais macios, o metal duro tem uma vida útil elevada. Abaixo de 45 HRC não há razão para pagar pelo CBN.
Quando utilizar pastilhas CBN?
Torneamento rígido de automóveis
As peças do grupo motopropulsor automóvel são o maior mercado para o CBN. Engrenagens de transmissão endurecidas a HRC 58 a 62, cambotas, árvores de cames, pistas de rolamentos, tambores de travões, discos de travões. As peças saem do forno de tratamento térmico e vão diretamente para um torno CNC com CBN. Dimensão final e acabamento numa só passagem.
Por exemplo, o furo do rolamento numa engrenagem endurecida é um trabalho típico de CBN. Uma pastilha faz um turno completo. O mesmo furo com metal duro precisa de várias mudanças de índice e ainda se esforça para manter a tolerância no final da execução.
Maquinação de ferro fundido
O ferro fundido é uma história diferente, mas o CBN também é forte neste caso. Ferro fundido cinzento e ferro fundido com alto teor de crómio a 500 a 1.000 m/min. Discos de travão, blocos de motor, furos de cilindro. O ferro fundido é muito abrasivo e destrói rapidamente o carboneto. O CBN aguenta a abrasão porque é muito mais duro.
Torneamento de matrizes e moldes
Os aços para ferramentas endurecidos em trabalhos de moldes e matrizes, com 63 HRC e superiores, costumavam exigir retificação após o tratamento térmico. O CBN mudou isso. Atualmente, muitos fabricantes de moldes fazem o acabamento do aço endurecido diretamente no torno.
Aeroespacial e superligas
As superligas à base de níquel, como o Inconel na indústria aeroespacial e de energia, também são maquinadas com CBN. Estas ligas mantêm a sua dureza a altas temperaturas, pelo que o carboneto não funciona bem a velocidades normais.
Quando utilizar pastilhas de metal duro em vez de CBN
Aços macios e de dureza média
Utilize carboneto para materiais abaixo de 45 HRC. Isto inclui aço macio, aço de carbono médio, aço inoxidável, alumínio e latão. O metal duro é bom para estes materiais e também é acessível.
Materiais Não Ferrosos
Os materiais não ferrosos, como o alumínio ou o latão, necessitam de carboneto ou Pastilhas PCD. O CBN é apenas para metais que têm ferro. Em alumínio ou latão, o CBN não ajuda em nada. Por isso, o metal duro revestido é uma forma mais rápida e económica de cortar estes materiais.
Prototipagem e pequenas séries
O metal duro é melhor para fazer protótipos ou um pequeno número de peças. Uma ferramenta de CBN custa 5 a 20 vezes mais do que uma ferramenta de metal duro. Se fizer apenas uma ou duas peças, nunca poupará dinheiro suficiente para pagar a ferramenta de CBN dispendiosa.
Maquinação para fins gerais
Para as lojas que efectuam muitos trabalhos diferentes com materiais e tamanhos diferentes, o metal duro é a melhor escolha. Por exemplo, pode utilizar o metal duro para fresar, tornear, furar e escarear. O CBN não pode fazer todos esses trabalhos diferentes.
Comparação de custo por peça entre pastilhas CBN e carboneto
O preço de inserção não é o mais importante. O que importa é o custo por peça acabada.
Como o CBN reduz o custo por peça na produção
As pastilhas CBN são mais caras à partida. Mas funcionam durante mais tempo, são substituídas menos vezes e, em peças endurecidas, eliminam frequentemente o passo de retificação. Menos trocas de ferramentas significa menos tempo de inatividade. Menos tempo de paragem significa mais peças por turno.
Vejamos este exemplo. Uma engrenagem de transmissão, material 20CrMnTi, endurecido a HRC 58 a 62, tolerância IT6, acabamento de superfície Ra 0,8 necessário. O metal duro não consegue atingir Ra 0,8 de forma fiável com essa dureza. O CBN cumpre as especificações e trabalha durante todo o turno. O custo por peça com CBN acaba por ser mais baixo, mesmo com o preço mais elevado da pastilha.
Torneamento duro vs Retificação
Um torno CNC com pastilhas de CBN pode substituir uma rectificadora cilíndrica para trabalhos de torneamento difíceis. Uma rectificadora custa três a cinco vezes mais do que o torno. Se o CBN permite evitar a compra de uma, só isso justifica o custo das ferramentas.
Quando o metal duro é a opção mais barata
As pequenas lojas evitam frequentemente a CBN devido ao preço inicial. Isso faz sentido para pequenas séries. Mas se estiver a trabalhar com o mesmo componente endurecido semana após semana, a matemática muda rapidamente. Calcule quantas pastilhas de metal duro gasta por semana nesse trabalho e, em seguida, compare esse valor com o de uma pastilha de CBN que funciona com o mesmo volume.
Velocidades de corte, avanços e profundidade de corte de pastilhas de CBN e de carboneto
Parâmetros de corte CBN para torneamento duro
Para o torneamento CBN de aço temperado entre HRC 45 e 68, a velocidade de corte é geralmente de 80 a 250 m/min. O ferro fundido é muito mais rápido, até 1.000 m/min. A velocidade de avanço para o acabamento é de 0,04 a 0,15 mm/rot. A profundidade de corte para acabamento é de 0,05 a 0,5 mm.
Utilize CBN de grão fino quando o acabamento da superfície é importante. O grão grosso não consegue atingir Rz 3.2. Trabalhe a seco quando puder. Se necessitar de líquido de refrigeração, comece a inundar antes do início do corte. Nunca mude de seco para húmido a meio do corte. O choque térmico parte a pastilha.
Mantenha o raio da ponta totalmente dentro do material. Se a aresta sair do corte e voltar a entrar, lasca-se. Isto acontece mais em trabalhos com furos quando a configuração não é suficientemente rígida. A pastilha lida com a carga de corte. Não suporta o impacto repetido do ressalto da ferramenta.
Parâmetros de corte de metal duro
Para metal duro em aço geral e materiais mistos, a velocidade de corte é de 100 a 400 m/min, dependendo da classe e do revestimento. O alumínio funciona a 400 a 1.000 m/min com a classe correta. O metal duro trabalha com geometria de inclinação positiva, lida com cortes interrompidos abaixo de 45 HRC e funciona bem com refrigeração por inundação.
Como escolher a classe de pastilha CBN correta
A percentagem do teor de CBN e o tipo de aglutinante são os dois factores que determinam o desempenho de um tipo.
Classes com baixo teor de CBN
Aglutinante de cerâmica, melhor estabilidade química e resistência ao desgaste. Utilize-os para aço endurecido em cortes contínuos, acabamento de pistas de rolamentos, veios de transmissão e furos endurecidos onde a qualidade da superfície é o objetivo.
Classes com elevado teor de CBN
Aglutinante metálico, mais duro, menos resistente ao desgaste. Melhor para cortes interrompidos. Torneamento de uma engrenagem com ranhuras, faceamento de peças com furos, perfuração cruzada. Também é bom para ferro fundido de alta velocidade. O ferro fundido necessita de resistência à abrasão, não de estabilidade química, pelo que o ligante mais duro funciona bem.
Classes de CBN revestidas
O CBN revestido adiciona uma camada de PVD, normalmente TiN, sobre a superfície. Isto reduz a oxidação da aresta e ajuda a velocidades moderadas com maiores profundidades de corte. Útil quando se efectuam passagens mais pesadas e a vida útil da ferramenta é mais importante do que a velocidade de corte máxima.
Tamanho do grão de CBN
Ao selecionar uma qualidade, pergunte também ao seu fornecedor qual o tamanho do grão. O grão fino proporciona um melhor acabamento da superfície. O grão grosso dura mais tempo nas passagens de desbaste. A maioria das aplicações de acabamento em aço endurecido necessita de grão fino para atingir Ra 0,8 ou inferior.
Requisitos de rigidez da máquina para torneamento duro CBN
Porque é que a CBN exige uma configuração rígida
O CBN necessita de uma configuração rígida. Rolamentos de fuso desgastados, fixação solta ou vibração irão partir as pastilhas. Pensará que a classe está errada. Normalmente, o problema é a máquina.
Verifique o binário de aperto do seu porta-ferramentas antes de utilizar CBN. Por exemplo, se a pastilha estiver ligeiramente solta, irá mover-se durante o corte. Então, este pequeno movimento lasca a aresta da ferramenta. Vai parecer que a ferramenta está partida, mas o verdadeiro problema é a fixação.
As ferramentas CBN utilizam uma geometria de inclinação negativa. Este design empurra a força de corte de volta para o corpo da ferramenta. Isto cria uma maior pressão na máquina. O fuso da sua máquina, o porta-ferramentas e a forma como segura a peça têm de ser muito fortes para aguentar esta força.
Porque é que o metal duro tolera configurações imperfeitas
O metal duro é mais fácil de utilizar. Por exemplo, pode escolher ferramentas com ângulos de inclinação positivos. Subsequentemente, o cobalto no interior da ferramenta absorve mais choques e vibrações. Isto significa que a vibração causa menos danos à ferramenta. Assim, se a configuração da sua máquina não for perfeita, o metal duro é mais seguro e dá-lhe mais espaço para erros.
Seleção de pastilhas de CBN vs. carboneto
Passo 1: Verificar a dureza da peça de trabalho
Acima de HRC 50, utilizar CBN. Abaixo de 45 HRC, utilize metal duro. Entre 45 e 50 HRC, experimente primeiro o metal duro revestido antes de gastar em ferramentas de CBN.
Etapa 2: Verificar o tipo de material
O CBN é apenas para metais ferrosos. Alumínio, latão, cobre, compósitos, todos precisam de metal duro ou PCD. A dureza não altera esse facto.
Etapa 3: Verificar o tamanho do lote
O CBN compensa o seu custo em tiragens médias e grandes. Em tiragens curtas, a vantagem da vida útil da ferramenta não tem tempo para compensar o preço da pastilha.
Passo 4: Verificar o requisito de acabamento da superfície
Se o seu requisito de acabamento numa peça endurecida for Ra 0,8 ou melhor, o metal duro não o conseguirá. Só isso significa CBN.
Passo 5: Verificar o tipo de corte
Para cortes interrompidos em material endurecido, engrenagens com ranhuras, veios estriados, peças com orifícios cruzados, utilize CBN sólido com um grau de alto teor resistente. O CBN com ponta é para acabamento contínuo. As pastilhas de cerâmica irão fraturar em cortes interrompidos duros.
Conclusão
Acima de HRC 50 em material ferroso, CBN. Tudo o resto, carboneto. O intervalo de 45 a 50 HRC depende do tamanho do lote, das especificações de acabamento e da configuração. Se não tiver a certeza sobre qual a classe CBN adequada à sua aplicação, fale com o seu fornecedor de ferramentas de corte antes de encomendar.
FAQs
Qual é a diferença entre as pastilhas de CBN e de metal duro?
O CBN é um material sintético muito duro. Utiliza-se para cortar metais duros. Funciona melhor em metais com uma dureza superior a 45 HRC.
O metal duro é feito de tungsténio e cobalto. Utiliza-se para muitos trabalhos diferentes. Funciona nos materiais mais comuns.
O CBN é mais duro do que o carboneto?
Sim. O CBN mede 4.000 a 5.000 KHN na escala de dureza Knoop. O metal duro tem entre 1.000 e 2.000 KHN. O CBN é cerca de duas a cinco vezes mais duro, dependendo do grau.
O CBN é mais duro do que o carboneto de tungsténio?
Sim. O carboneto de tungsténio mede cerca de 1.000 a 2.000 KHN. O CBN com 4.000 a 5.000 KHN é significativamente mais duro. Apenas os diamantes são mais duros que o CBN.
Quando utilizar pastilhas de CBN?
Utilize CBN quando o seu metal é mais duro do que 50 HRC. Funciona melhor em ferro e aço. Utilize-a quando precisar que todas as peças tenham o mesmo acabamento liso. Também é excelente quando precisa de tamanhos exactos para muitas peças seguidas.
