Usinagem CNC Titânio

Introdução

O titânio é um material altamente valorizado pela sua excepcional relação resistência/peso, resistência superior à corrosão, e biocompatibilidade. Estas propriedades tornam-no indispensável em setores que vão desde a indústria aeroespacial e de dispositivos médicos até à engenharia automóvel e naval.. CNC (Controle Numérico Computadorizado) a usinagem de titânio requer conhecimentos e técnicas especializadas devido às características únicas do material. Este guia se aprofunda nas dicas essenciais, desafios, e graus de titânio para eficácia Usinagem CNC.

1. Por que escolher titânio para peças de usinagem CNC?

O titânio é preferido para peças de usinagem CNC devido às suas excelentes propriedades:

• Relação resistência/peso: O titânio oferece uma das mais altas relações resistência-peso de qualquer metal, tornando-o ideal para aplicações que exigem durabilidade e leveza.
• Resistência à corrosão: Forma naturalmente uma camada protetora de óxido, que resiste à corrosão em ambientes agressivos.
• Biocompatibilidade: O titânio é resistente à corrosão, tem alta biocompatibilidade e propriedades não tóxicas, tornando-o ideal para uso na indústria médica.
• Não magnético: Este metal não possui características magnéticas.
• Indústrias Comuns: Aeroespacial, médico, automotivo, e os setores marítimos utilizam extensivamente o titânio pelas suas capacidades de alto desempenho.

2. Desafios a serem considerados ao usinar titânio

Embora a usinagem CNC de titânio ofereça muitas vantagens, também apresenta vários desafios:

• Alta reatividade química e escoriações
  A alta reatividade química do titânio pode fazer com que gases reajam com sua superfície durante a usinagem, levando à oxidação, fragilização, e redução da resistência à corrosão. Adicionalmente, seu baixo módulo de elasticidade o torna “gomoso,”fazendo com que ele grude nas ferramentas de corte e causando danos à ferramenta e acabamentos superficiais ruins.
• Acúmulo de calor e forças de corte
  A baixa condutividade térmica do titânio faz com que o calor se acumule no ponto de corte, levando ao rápido desgaste da ferramenta e possíveis danos à superfície, especialmente com ligas mais duras. Para mitigar isso, use uma rotação mais baixa com uma carga de cavacos maior e aplique refrigeração de alta pressão para manter temperaturas de corte mais baixas. As altas forças de corte necessárias para a usinagem de titânio também contribuem para o desgaste da ferramenta, vibração, e qualidade de superfície reduzida.
• Tensões residuais e endurecimento
  A estrutura cristalina das ligas de titânio pode aumentar as forças de corte, resultando em tensões residuais que podem causar deformações nas peças, rachadura, ou enfraquecer com o tempo, impactando a durabilidade e a precisão dos componentes usinados.

3. Dicas úteis para usinagem de titânio

Para superar esses desafios, várias estratégias podem ser empregadas:

• Seleção de ferramentas: Opte por ferramentas de metal duro ou cerâmica com geometria adequada e revestimentos projetados para titânio.
• Parâmetros de corte: Ajustar velocidade, taxa de alimentação, e profundidade de corte para gerenciar o calor e minimizar o desgaste da ferramenta.
• Líquido refrigerante e lubrificação: Use refrigeração de alta pressão para gerenciar eficazmente o calor e aumentar a vida útil da ferramenta.
• Técnicas de Fixação: Empregue acessórios rígidos para minimizar vibrações e vibrações.
• Estratégia de Usinagem: Utilize fresamento ascendente e cortes leves de profundidade para reduzir o calor e a carga da ferramenta.
• Gerenciamento de chips: Garanta a remoção eficiente de cavacos para evitar o endurecimento por trabalho e manter a qualidade da superfície.

Essas dicas ajudam a manter a vida útil da ferramenta, melhorando a eficiência, e alcançando o acabamento desejado.

4. Diferentes classes de titânio para usinagem CNC

O titânio vem em vários graus e ligas, cada um adequado para aplicações específicas com vantagens e desvantagens exclusivas. Aqui está uma visão geral concisa dos principais graus de titânio:

Classes de titânio puro

• Nota 1 (Baixo teor de oxigênio):

O titânio mais macio e dúctil, conhecido pela excelente usinabilidade, resistência ao impacto, resistência à corrosão, e conformabilidade. No entanto, tem menor resistência em comparação com outras classes. É usado em medicina, automotivo, e aplicações aeroespaciais.

• Nota 2 (Conteúdo de oxigênio padrão):

Conhecido como “titânio burro de carga,”oferece um equilíbrio de força, resistência à corrosão, conformabilidade, e soldabilidade. Comumente usado em dispositivos médicos e aeroespaciais para motores de aeronaves.

• Nota 3 (Conteúdo Médio de Oxigênio):

Menos popular que notas 1 e 2, mas oferece boas propriedades mecânicas, alta resistência à corrosão, e usinabilidade. É utilizado em medicina, marinho, e campos aeroespaciais.

• Nota 4 (Alto teor de oxigênio):

Apresenta alta resistência e resistência à corrosão, mas é desafiador para usinar, exigindo mais refrigerante e taxas de alimentação mais altas. É usado em vasos criogênicos, componentes da fuselagem, trocadores de calor, e equipamentos CPI.

Classes de liga de titânio

• Nota 5 (Ti6Al4V):

Uma liga amplamente utilizada com 6% alumínio e 4% vanádio, oferecendo alta resistência à corrosão e conformabilidade, embora não seja o mais forte. Ideal para geração de energia, marinho, e estruturas aeroespaciais críticas.

• Nota 6 (De 5 Al-2,5Sn):

Conhecido por sua estabilidade, força, e soldabilidade em altas temperaturas, tornando-o adequado para fuselagens e motores a jato.

• Nota 7 (De-0.15PD):

Semelhante a Grau 2 mas com adição de paládio para maior resistência à corrosão. É excelente para equipamentos de processamento químico devido à sua boa conformabilidade e soldabilidade.

• Nota 11 (De-0.15PD):

Como nota 7 mas mais dúctil e com menor tolerância a impurezas. Tem resistência ligeiramente inferior e é usado na fabricação de cloratos e marinhos.

• Nota 12 (Ti0,3Mo0,8Ni):

Contém 0.8% níquel e 0.3% molibdênio, oferecendo soldabilidade superior, resistência a altas temperaturas, e resistência à corrosão. Usado em trocadores de calor, marinho, e componentes de aeronaves.

• Nota 23 (T6Al4V-ELI):

Também conhecido como intersticial extra baixo ou TAV-EIL, a nota 23 o titânio compartilha propriedades semelhantes às do grau 5 mas é mais puro. Tem boa resistência à fratura, biocompatibilidade, e baixa usinabilidade relativa. Encontra utilização na produção de pinos ortopédicos, parafusos, grampos cirúrgicos, e aparelhos ortodônticos.

5. Comparando classes de titânio para usinagem

A usinabilidade varia entre as classes, com titânio puro (Notas 1-4) sendo mais usinável do que classes de liga. Ao selecionar uma nota, considere os requisitos específicos da sua aplicação, como resistência à corrosão, força, e custo-benefício.

6. Ferramentas e equipamentos para usinagem de titânio

• Máquinas CNC: Máquinas CNC de alto torque e capazes de movimentos precisos são essenciais.
• Tipos de ferramentas: Fresas finais, exercícios, e as pastilhas devem ser feitas de materiais que resistam à natureza abrasiva do titânio, como carbonetos revestidos ou cerâmica.

7. Como escolher as ferramentas de corte certas para usinar titânio？

Escolher as ferramentas de corte certas para usinar titânio é crucial devido às propriedades exclusivas do metal, como alta resistência, baixa condutividade térmica, e reatividade química. Essas características tornam o titânio um desafio para usinar, exigindo materiais de ferramentas específicos, geometrias, e revestimentos para obter resultados ideais. Aqui está um guia para selecionar as ferramentas de corte certas para usinagem de titânio:

1. Selecione o material de ferramenta apropriado

• Ferramentas de metal duro: Ferramentas de metal duro são a escolha mais comum para usinagem de titânio devido à sua dureza, resistência, e resistência ao desgaste. Classes com alto teor de cobalto são preferidas, pois oferecem melhor resistência ao calor e retenção de bordas.
• Ferramentas de Metal Duro Revestido: Aplicação de revestimentos como nitreto de alumínio e titânio (TiAlN) ou nitreto de alumínio e cromo (AlCrN) às ferramentas de metal duro melhora a resistência ao calor e reduz o desgaste da ferramenta. Esses revestimentos ajudam a dissipar o calor da aresta de corte e minimizam as reações químicas com o titânio.
• Ferramentas Cermet: Composto por cerâmica e metal, ferramentas de cermet oferecem excelente resistência ao desgaste e podem suportar velocidades de corte mais altas. São adequados para operações de acabamento onde é gerado menos calor.
• Diamante Cerâmico e Policristalino (PCD) Ferramentas: Para aplicações específicas de acabamento de alta velocidade, ferramentas de cerâmica ou PCD podem ser eficazes. No entanto, eles são frágeis e não são ideais para operações de desbaste devido à sua falta de tenacidade.

2. Escolha a geometria correta da ferramenta

• Arestas de corte afiadas: Use ferramentas com pontas afiadas, ângulos de inclinação positivos para minimizar as forças de corte e reduzir a geração de calor. Ferramentas afiadas também ajudam a prevenir o endurecimento e escoriações, que são problemas comuns ao usinar titânio.
• Ângulo de hélice ideal: A seleção de ferramentas com o ângulo de hélice correto melhora o escoamento de cavacos e reduz a vibração, o que é crucial para manter a qualidade do acabamento superficial e a vida útil da ferramenta. Um ângulo de hélice mais alto costuma ser mais eficaz na redução de vibração.
• Núcleo forte e design rígido: Fresas de topo com núcleos mais grossos e contagens de canais reduzidas são mais fortes e menos propensas a deflexão, o que ajuda a manter a precisão e reduzir o risco de quebra durante cortes pesados.

3. Considere revestimentos e tratamentos de ferramentas

• Revestimentos TiAlN e AlCrN: Esses revestimentos são projetados para suportar altas temperaturas e reduzir a afinidade química entre a ferramenta e o titânio, diminuindo as chances de vantagem construída (FALAR) formação e irritação.
• Carbono semelhante a diamante (DLC) Revestimentos: Para aplicações específicas, Os revestimentos DLC podem oferecer melhor desempenho, reduzindo o atrito e aumentando a resistência ao desgaste, especialmente em ligas de titânio não ferrosas.

4. Otimize os parâmetros de corte

• Velocidades de corte mais baixas: A baixa condutividade térmica do titânio significa que o calor permanece concentrado perto da área de corte. Usando velocidades de corte mais baixas (tipicamente 30-60 metros por minuto) ajuda a gerenciar o acúmulo de calor e prolonga a vida útil da ferramenta.
• Taxas de alimentação moderadas: Equilibrar as taxas de avanço com a velocidade de corte é essencial. Uma taxa de avanço moderada ajuda a manter a espessura dos cavacos, o que é necessário para uma dissipação de calor eficiente e evitando o endurecimento por trabalho.
• Líquido refrigerante de alta pressão: O uso de sistemas de refrigeração de alta pressão é fundamental para a usinagem de titânio. Eles ajudam a remover calor e cavacos da zona de corte, evitando danos à ferramenta e garantindo melhores acabamentos superficiais.

5. Empregue a estratégia correta do caminho da ferramenta

• Fresagem Trocoidal: Esta estratégia avançada de fresamento envolve profundidades de corte radiais menores e profundidades axiais altas, que minimiza a geração de calor e distribui uniformemente as forças de corte, aumentando a vida útil da ferramenta.
• Perfuração Peck: Ao perfurar titânio, a perfuração profunda pode ser usada para quebrar cavacos e evacuá-los do furo, reduzindo o risco de entupimento de cavacos e acúmulo de calor.
• Engajamento constante do cortador: Mantenha um ângulo de engate do cortador constante para evitar mudanças repentinas na carga, o que pode causar vibrações e afetar a vida útil da ferramenta e a qualidade da peça.

6. Garanta a fixação adequada e a rigidez da máquina

• Fixação estável: Use alta precisão, soluções de fixação rígidas para minimizar vibrações e garantir estabilidade durante a usinagem. A vibração reduzida não só melhora o acabamento superficial, mas também evita lascas da ferramenta.
• Máquinas-ferramentas rígidas: Máquinas CNC com alta rigidez e capacidade de amortecimento são essenciais para a usinagem eficaz do titânio. Eles ajudam a minimizar as vibrações, manter a estabilidade da ferramenta, e fornecem controle preciso sobre as forças de corte.

8. Acabamentos de superfície para peças usinadas de titânio

Uma gama de acabamento superficial técnicas podem aprimorar produtos de titânio usinados em CNC por razões funcionais e estéticas. O titânio pode ser acabado usando métodos como polimento, Revestimento em Pó, Revestimento PVD, Escovação, anodização, e jateamento de esferas para obter acabamentos superficiais desejados que atendam aos padrões específicos da indústria.

9. Técnicas Avançadas para Usinagem de Titânio

• Usinagem Criogênica: Utiliza nitrogênio líquido para resfriar a área de corte, reduzindo o desgaste da ferramenta e melhorando a qualidade da peça.
• Usinagem assistida por ultrassom: Melhora as taxas de remoção de material e reduz o desgaste da ferramenta aplicando vibrações ultrassônicas.
• 5-Usinagem de Eixos: Ideal para criar geometrias complexas e garantir alta precisão em peças multifacetadas.

10. Controle de qualidade em usinagem CNC de titânio

Manter tolerâncias e precisão rigorosas é crucial na usinagem de titânio. As medidas de controle de qualidade incluem:

• Máquinas de medição por coordenadas (CMM): Para medições precisas e aderência às especificações.
• Tratamentos pós-usinagem: Tratamento térmico, acabamento superficial, e inspeção garantem que o produto final atenda às especificações.

11. Aplicações comuns de peças usinadas de titânio

O titânio é amplamente utilizado em indústrias para componentes que exigem resistência, propriedades leves, e resistência à corrosão:

Indústria Marinha/Naval

A excepcional resistência à corrosão do titânio o torna ideal para aplicações marítimas. É comumente usado na produção de eixos de hélice, robótica subaquática, aparelhamento, válvulas de esfera, trocadores de calor marinhos, tubulação do sistema de incêndio, bombas, forros de chaminé, e sistemas de refrigeração a bordo.

Aeroespacial

A alta relação resistência/peso do titânio, resistência à corrosão, e a tolerância ao calor fazem dele um material preferido na indústria aeroespacial. É usado para componentes de assento, peças de turbina, eixos, válvulas, alojamentos, filtros, e peças do sistema de geração de oxigênio.

Automotivo

Embora o alumínio seja frequentemente preferido no setor automotivo devido à sua disponibilidade e economia, o titânio ainda é usado para peças de alto desempenho. Isso inclui válvulas, molas de válvula, retentores, pistões de pinça de freio, pinos do pistão do motor, molas de suspensão, parar colchetes, balancins do motor, e bielas.

Médica e Odontológica

O titânio é altamente valorizado na área médica por sua resistência à corrosão, baixa condutividade elétrica, e biocompatibilidade. É usado em parafusos ósseos, implantes dentários, parafusos cranianos para fixação, hastes espinhais, conectores, pratos, e pinos ortopédicos.

12. Tendências Futuras em Usinagem de Titânio

• Avanços em materiais de ferramentas e revestimentos: Novos materiais e revestimentos prolongarão a vida útil da ferramenta e melhorarão a eficiência da usinagem.
• Inovações em Técnicas de Usinagem e Automação: A automação aumentará a produtividade e a consistência.
• Práticas de usinagem sustentáveis ​​e econômicas: Foco na minimização do desperdício e do consumo de energia.

13. Escolha DEZE para usinagem de peças de titânio

DEZE oferece experiência em usinagem CNC de titânio com equipamentos avançados, maquinistas qualificados, e um compromisso com a qualidade, garantindo componentes de alta qualidade adaptados às suas necessidades específicas.

14. Conclusão

As propriedades únicas do titânio fazem dele um material valioso para usinagem CNC. Apesar dos desafios, seguir as melhores práticas e utilizar técnicas avançadas pode produzir resultados excepcionais. Seja para componentes aeroespaciais ou dispositivos médicos, escolher a classe certa e empregar estratégias de usinagem eficazes são fundamentais para projetos de usinagem de titânio bem-sucedidos.

Referência de conteúdo：https://dz-machining.com/titanium-vs-aluminum/

Perguntas frequentes

O titânio é mais difícil de usinar do que o aço??

Sim, o titânio é mais desafiador de usinar do que o aço, principalmente devido ao seu alto ponto de fusão e tendência a esticar em vez de quebrar. Essa maleabilidade torna mais difícil usinar com precisão.

Qual é a taxa de avanço de fresagem para titânio?

Para fresar titânio, uma velocidade de corte de 40 para 150 m/min é recomendado, com uma taxa de alimentação variando de 0.03 para 0.15 mm por dente.

Como você alivia o estresse no titânio após a usinagem?

As ligas de titânio podem sofrer alívio de tensão sem perder sua resistência ou ductilidade. Este processo envolve aquecer o metal até 595-705 °C (1100-1300 °F) por uma a duas horas, seguido de resfriamento a ar.