Maquinação CNC de cobre: Seleção de ligas, aplicações e melhores práticas

A maquinagem CNC de cobre é essencial para as indústrias que necessitam de múltiplas aplicações devido à sua superior condutividade eléctrica e capacidade de condução de calor. O material apresenta resistência à formação de ferrugem e tem caraterísticas funcionais de maquinagem. O cobre apresenta problemas durante a produção devido à sua natureza macia, o que o torna mais suave do que a maioria das substâncias metálicas.

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As aplicações CNC requerem uma seleção adequada de ligas de cobre, uma vez que os vários graus diferem no seu desempenho de resistência e limites relativamente à maquinabilidade e capacidades de utilização. O documento avalia os materiais de cobre aplicados na maquinação CNC, as suas utilizações industriais e os seus obstáculos de maquinação e requisitos de seleção de materiais. A discussão inclui avaliações de precisão dimensional para o cobre, bem como comparações de metal para metal.

Principais ligas de cobre para maquinagem CNC

A maquinagem CNC depende fortemente do cobre porque este material oferece uma condutividade excecional, capacidades térmicas e resistência à corrosão. Seguem-se alguns materiais de cobre, as suas propriedades, aplicações, dificuldades e critérios de seleção.

Cobre puro (C110, C101, C102)

O cobre puro com os graus C110, C101 e C102 é um dos melhores materiais de condução eléctrica e térmica.

A substância proporciona uma proteção anticorrosiva robusta, o que a torna viável para várias aplicações industriais. Devido à sua ductilidade, o material é fácil de moldar em diferentes formas. No entanto, as suas propriedades mecânicas são inferiores às de vários materiais metálicos, reduzindo a sua capacidade de resistir a ambientes exigentes. A resistência à tração do cobre puro (210-310 MPa) é inferior à do latão (340-580 MPa) e do bronze (350-690 MPa), o que limita a sua utilização em aplicações estruturais.

A maquinagem CNC de peças de cobre, tais como conectores elétricos, barras condutoras, permutadores de calor e suportes de elétrodos, beneficia da utilização de cobre puro. As exigências de transição energética nestes elementos estruturais tornam a excelente condutividade do cobre uma característica extremamente vantajosa. Entre as suas propriedades destaca-se a resistência à corrosão, o que permite prolongar a vida útil, principalmente quando utilizado em ambientes húmidos ou com substâncias químicas. Os operadores de máquinas têm de lidar com vários desafios ao processarem cobre puro. O cobre puro é um material extremamente macio, apresentando normalmente um limite de escoamento tão baixo quanto 69 a 330 MPa, dependendo do seu estado de temperamento ^[1]. Devido a esta elevada ductilidade e ao baixo limite de escoamento, o metal tende a rasgar-se em vez de ser cortado de forma limpa durante o corte. Este comportamento adesivo dá origem a rebarbas graves que provocam problemas dimensionais e obrigam os fabricantes a realizar etapas de acabamento adicionais. A remoção de limalhas do cobre torna-se complicada, uma vez que a sua natureza dúctil produz limalhas finas e alongadas que entopem os dispositivos de corte.

A maquinabilidade do cobre puro exige que os fabricantes executem uma seleção precisa das ferramentas de corte e das definições dos parâmetros de maquinagem. A maquinagem de cobre puro requer ferramentas de corte feitas de aço rápido ou carboneto com arestas afiadas para evitar o desgaste da ferramenta e proporcionar um melhor acabamento da superfície. A aplicação correta do líquido de refrigeração desempenha dois papéis fundamentais para minimizar a acumulação de calor e evitar a aderência do material. A condutividade eléctrica e as propriedades condutoras de calor do cobre puro continuam a ser a principal seleção de material para estes requisitos. As empresas que operam nos sectores da eletrónica, distribuição de energia e gestão térmica utilizam elementos de cobre puro para otimizar a eficiência operacional.

Latão (C260, C360, C464)

Todos os tipos de latão, incluindo C260, C360 e C464, oferecem uma maquinabilidade CNC excecional e um desempenho de resistência suficiente. O material demonstra uma forte resistência à corrosão, tornando-o aceitável para diversos fins industriais. A condutividade eléctrica do latão é inferior à do cobre puro. A incorporação de zinco fortalece o latão até que este supere os metais menos duráveis em termos de resistência estrutural. O latão possui propriedades atractivas, tornando-o ideal para o fabrico de componentes que requerem boas capacidades de maquinagem e resistência à corrosão.

É possível fabricar componentes para válvulas, engrenagens, acessórios e elementos de fixação através da maquinagem CNC, utilizando latão como matéria-prima. Processos de maquinagem de precisão funcionam extremamente bem com o latão, devido às suas características de fácil usinagem. De facto, o latão de fácil usinagem conhecido como C360 serve de referência industrial global em relação à qual todas as outras ligas de cobre são avaliadas, possuindo uma classificação padrão de usinabilidade de 100% ^[2]. Esta classificação excecional permite um processamento rápido com ferramentas a avanços e velocidades elevados, com um desgaste muito reduzido das mesmas. A resistência à corrosão em ambientes húmidos e ao contacto com produtos químicos torna o latão ideal para aplicações em acessórios e elementos de fixação. A lixiviação do zinco acaba por enfraquecer os materiais quando estes são expostos a ambientes muito corrosivos.

Os fabricantes que pretendem maquinar latão devem fazer escolhas corretas relativamente às suas ferramentas de produção e parâmetros operacionais. Os fabricantes de ferramentas devem utilizar implementos de corte de metal duro, uma vez que estes interrompem o processo de endurecimento do trabalho que causa dificuldades de maquinagem. A utilização correta do líquido de refrigeração controla a acumulação de calor e prolonga a vida útil das ferramentas. O latão continua a ser uma das principais escolhas para componentes de engenharia que têm de combinar desempenho mecânico com resistência à corrosão e elevada maquinabilidade. As indústrias de canalização e automóvel, juntamente com a indústria aeroespacial, dependem dos componentes de latão devido ao seu excelente desempenho e capacidade de resistência.

Bronze (C932, C954, C863)

A gama de materiais de bronze, que contém C932, C954 e C863, oferece uma excelente resistência ao desgaste, propriedades fortes e proteção contra a corrosão. O material resiste a objectivos exigentes que requerem cargas pesadas e fricção. A capacidade de transferência de calor do bronze está dentro da sua gama, mas conduz a uma eficiência global inferior à do cobre puro. A introdução de elementos específicos no bronze, incluindo o estanho e o alumínio ou o manganês, reforça o material para oferecer uma maior resistência ao desgaste do que quase todas as outras ligas de cobre.

A produção de casquilhos, rolamentos, componentes de bombas e hardware marítimo através da maquinação CNC depende do bronze como material principal. O material exige alta resistência e resistência ao atrito, o que faz do bronze uma excelente escolha. O funcionamento contínuo e a pressão mecânica dos rolamentos e casquilhos são suportados pelo bronze através da sua elevada resistência ao desgaste. Os produtos de hardware marítimo que incluem hélices e acessórios utilizam o bronze devido à sua excecional resistência à corrosão da água salgada. Devido ao seu nível de dureza, o bronze torna-se difícil de maquinar. A afiação adequada da ferramenta e as velocidades de maquinação controladas ajudam a minimizar o desgaste da ferramenta durante o processo.

Os métodos de arrefecimento e os sistemas de lubrificação melhoram a eficiência da máquina, reduzindo a produção de calor em excesso. As ferramentas ou os revestimentos de carboneto são necessários para preservar a precisão da maquinagem e a durabilidade da ferramenta. A evacuação eficaz das aparas continua a ser crucial porque o bronze produz aparas finas difíceis de remover que ameaçam danificar a ferramenta. Apesar das suas complexidades de processamento, o bronze ganha a seleção para aplicações que necessitam de resistência ao desgaste e resistência a cargas pesadas. Os componentes de bronze são essenciais em produtos dos sectores da indústria aeroespacial, do equipamento marítimo e da maquinaria pesada, porque proporcionam uma durabilidade apoiada por tempos de vida operacionais prolongados.

Telúrio Cobre (C14500)

A adição de telúrio ao C14500 produz uma liga que mantém uma excelente condutividade elétrica de aproximadamente 85% IACS. Simultaneamente, este processo de liga melhora drasticamente o índice de usinabilidade do material para 85%, excedendo em muito o do cobre puro ^[3]. A implementação desta microestrutura de telúrio contribui para a formação de limalhas curtas e frágeis, o que minimiza o desgaste das ferramentas e simplifica o processamento de materiais a alta velocidade. Este material apresenta resistência à corrosão; por isso, funciona de forma ideal em diversos ambientes operacionais. A classificação do material C14500 depende principalmente da sua baixa variação de condutividade em relação ao cobre puro e das suas características de maquinagem refinadas.

A indústria de contactos eléctricos, o sector dos comutadores e as tecnologias de soldadura utilizam extensivamente o cobre telúrio obtido por maquinagem CNC. As aplicações que necessitam de uma elevada condutividade beneficiam do cobre telúrio porque este oferece uma excelente condutividade e tem caraterísticas de maquinabilidade melhoradas. O desempenho aumenta com a seleção de ferramentas adequadas, uma vez que estas permitem operações a alta velocidade com uma deterioração reduzida da ferramenta. O material serve perfeitamente as aplicações eléctricas e industriais, uma vez que cumpre o duplo requisito de elevada condutividade e propriedades de maquinagem fáceis.

Cobre-berílio (C17200, C17500)

O cobre-berílio, em particular as classes como a C17200, é uma escolha excecional para utilização industrial. Quando totalmente endurecida por envelhecimento, esta liga pode atingir resistências à tração notáveis, superiores a 1 380 MPa (200 000 psi), o que a torna a mais resistente de todas as ligas comerciais à base de cobre ^[4]. Além disso, o material apresenta uma elevada resistência à corrosão e uma excelente resistência à fadiga, o que permite a sua utilização fiável nas condições mais exigentes. O cobre berílio retém aproximadamente 20-25% da condutividade eléctrica do cobre puro (IACS 22% vs. 100% para C101), tornando-o adequado para aplicações especializadas. A retenção da resistência relacionada com o esforço faz do cobre-berílio uma escolha óptima para aplicações de componentes de elevado desempenho.

Fabrico de peças aeroespaciais depende do cobre-berílio para conectores de alta precisão, ferramentas anti-faísca e molas que requerem maquinagem CNC. Uma vez que são submetidos a múltiplos ciclos de tensão em aplicações aeroespaciais, estes conectores necessitam de um material ideal, e o cobre-berílio satisfaz essa necessidade. O cobre-berílio oferece às ferramentas anti-faísca a vantagem da resistência ao impacto, uma vez que impede a formação de faíscas, o que garante segurança em ambientes explosivos. A aplicação deste material permite a produção de molas elásticas e fiáveis que apresentam um bom desempenho sob cargas exigentes. O processo de maquinagem a seco do cobre-berílio gera poeira potencialmente nociva, o que torna a operação complexa e difícil de gerir.

O funcionamento seguro das máquinas depende de sistemas de ventilação e medidas de proteção adequados. A esperança de vida das ferramentas aumenta com a aplicação de equipamento revestido juntamente com a gestão do líquido de refrigeração, o que reduz a contaminação por poeiras transportadas pelo ar. A posição material do cobre-berílio persiste em aplicações que necessitam de uma resistência excecional juntamente com capacidades de condutividade moderadas. Os fabricantes das indústrias aeroespacial, petrolífera, de gás e eletrónica dependem do cobre-berílio pelo seu desempenho duradouro, capacidades de segurança e propriedades de durabilidade.

Comparação de materiais de cobre

Os vários materiais de cobre apresentam níveis únicos de força e de condutividade, propriedades de maquinagem e resistência à corrosão, permitindo-lhes servir diferentes aplicações. O cobre natural apresenta excelentes propriedades condutoras, caraterísticas de resistência fracas e capacidades de maquinação complexas. As principais aplicações deste material incluem a utilização térmica e eléctrica. O desempenho do latão inclui resistência suficiente, condutividade média e capacidade de trabalho excecional. O material funciona na perfeição para criar acessórios precisos, válvulas e outros componentes com especificações semelhantes. As propriedades mecânicas do bronze ultrapassam as do latão e do cobre puro, uma vez que demonstra uma melhor resistência, uma excelente proteção contra a corrosão e uma maquinabilidade média. Este material tem uma aplicação generalizada em ferragens marítimas e rolamentos com bombas, porque apresenta uma excelente durabilidade para utilização com fricção e em condições ambientais adversas.

A incorporação de telúrio no cobre produz caraterísticas de maquinabilidade melhoradas com propriedades condutoras e de bloqueio da corrosão superiores. O material é amplamente utilizado em componentes eléctricos porque permite operações de maquinagem simples sem perder capacidades operacionais. O cobre-berílio distingue-se pela sua força superior e excelente resistência aos danos por fadiga. Embora a sua taxa de desempenho elétrico seja ligeiramente inferior à do cobre 100%, satisfaz eficazmente os requisitos das aplicações electrónicas. Este material aparece em elementos aeroespaciais, juntamente com dispositivos anti-faiscantes e molas de precisão. Cada material de cobre é essencial durante as operações de fabrico para fornecer propriedades distintas necessárias a várias aplicações industriais.

Fluxo do processo de maquinagem CNC para materiais de cobre

A utilização da tecnologia de maquinagem CNC para trabalhar com materiais de cobre requer o cumprimento de um conjunto organizado de passos para manter a precisão e a velocidade operacional. O primeiro passo envolve a escolha de materiais entre os tipos de cobre disponíveis, de acordo com as suas propriedades de resistência, juntamente com a condutividade e as capacidades anti-corrosão. Uma vez selecionada uma peça em bruto de cobre, esta é colocada no interior da máquina CNC para obter estabilidade durante a maquinagem. A escolha de ferramentas adequadas continua a ser vital, uma vez que existem ferramentas revestidas a carboneto ou diamante para resistir ao desgaste e aumentar a durabilidade da ferramenta.

O processo inclui fresagem e virando para modelagem e perfuração, rosqueamento e rosqueamento com macho precisos, utilizando ferramentas revestidas para reduzir o atrito. A adição de líquido de arrefecimento adequado é obrigatória ao longo de todas as operações, a fim de evitar o sobreaquecimento do equipamento e minimizar a degradação da ferramenta, garantindo que os cortes se mantenham suaves e precisos. A operação de acabamento e a remoção de rebarbas eliminam o material indesejado do componente, conferindo-lhe um aspeto final polido. As inspeções completas do produto verificam se cada requisito cumpre as especificações, garantindo o bom funcionamento.

Comparação de desempenho: Cobre vs. Outros Metais na Maquinação CNC

A excelente condutividade eléctrica e térmica do cobre torna-o o material ideal para a realização de operações de transferência de energia. O material apresenta uma dureza inferior à do CNC e do aço inoxidável, pelo que não suporta cargas pesadas. O cobre requer uma seleção exacta das ferramentas para evitar o desgaste, uma vez que a sua maquinabilidade se situa entre os níveis médio e elevado. A maquinabilidade CNC do cobre é melhor do que a do aço CNC porque o material de aço inclui variantes de baixo, médio e alto carbono com caraterísticas mais substanciais. O cobre mantém melhores níveis de condutividade do que o aço porque o aço não consegue fornecer os mesmos níveis de desempenho elétrico ou térmico que tornam o cobre valioso.

O alumínio altamente condutor é um material competitivo que se preocupa com o peso devido à sua combinação de leveza e excelente processabilidade em relação à utilização do cobre em várias aplicações. A condutividade é uma qualidade superior do cobre em relação ao alumínio, que continua a ser essencial para os requisitos de conceção de componentes eléctricos. A resistência à corrosão e a durabilidade do aço inoxidável 304 e 201 superam o cobre, mas este material apresenta grandes dificuldades de maquinação devido à sua dureza.

O latão encontra a sua vantagem na combinação de excelente maquinabilidade, resistência e propriedades eléctricas moderadas, o que beneficia a sua utilização na produção de válvulas e acessórios. A seleção do metal depende dos requisitos da aplicação, uma vez que cada um oferece vantagens diferentes.

Tolerâncias de maquinagem para perfis de cobre

As dimensões que as operações de maquinagem conferem aos perfis de cobre dependem da forma como o material será utilizado e dos padrões de precisão exigidos. Os requisitos padrão de maquinagem podem ser devidamente cumpridos através de técnicas gerais tolerâncias de ±0,05 mm a ±0,1 mm. Os componentes de precisão devem ter intervalos de tolerância entre ±0,01 mm e ±0,02 mm, uma vez que padrões de precisão tão rigorosos exigem configurações avançadas de CNC, ferramentas de corte de alta qualidade e parâmetros de maquinagem otimizados. A precisão dimensional, a vida útil das ferramentas e a qualidade da superfície dependem em grande medida da seleção das ferramentas adequadas e da calibração correta das máquinas.

A expansão do cobre durante o aquecimento ultrapassa o aço, pelo que a expansão térmica deve ser considerada em todos os processos de maquinagem do cobre. Os fabricantes podem lidar com variações de temperatura em aplicações relevantes através de ajustes de tolerância de maquinação adequados. As peças de cobre polidas podem obter uma qualidade de acabamento superficial que atinge valores de Ra de 0,2-0,4 µm. Um acabamento suave em peças de cobre exige velocidades de corte óptimas e uma utilização correta do líquido de refrigeração, seguidas de processos de polimento ou de acabamento eletroquímico. Os critérios de desempenho rigorosos são alcançados em aplicações de alto desempenho através destes factores dimensionais e relacionados com a aparência.

Conclusão

Os materiais de cobre são vantajosos na maquinagem CNC porque funcionam melhor para aplicações de desempenho ótimo de condutividade eléctrica e térmica. A seleção de ligas de cobre adequadas para diferentes aplicações baseia-se na combinação de requisitos operacionais que envolvem a durabilidade do processamento, a força e a resistência à corrosão. O cobre proporciona uma excelente condutividade eléctrica e uma fácil maquinabilidade aos utilizadores de CNC; no entanto, os utilizadores devem utilizar ferramentas cuidadosas e medidas de refrigeração adequadas. O conhecimento das especificações de tolerância e das caraterísticas de desempenho permite uma melhoria óptima do processo CNC para peças à base de cobre.

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Referência

[1] ASTM International. (2020). ASTM B187/B187M-20 Especificação-padrão para cobre, barras condutoras, varões e perfis, bem como varões, barras e perfis para uso geral. https://doi.org/10.1520/B0187_B0187M-20

[2] Schultheiss, F., Johansson, D., Bushlya, V., & Ståhl, J. E. (2020). Avaliação da usinabilidade de ligas de latão com baixo teor de chumbo. Procedia Manufacturing, 38, 1723-1730. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.01.102

[3] ASTM International. (2020). ASTM B301/B301M-13(2020) Especificação-padrão para varas, barras e perfis de cobre de fácil usinagem. https://doi.org/10.1520/B0301_B0301M-13R20

[4] ASTM International. (2018). ASTM B196/B196M-18 Especificação-padrão para varas e barras de liga de cobre-berílio. https://doi.org/10.1520/B0196_B0196M-18