Usinagem de titânio: desafios, ferramentas e dicas

O titânio é um excelente material de usinagem com uma grande variedade de propriedades, preferido para usinagem CNC devido à sua excelente resistência à corrosão, resistência ao calor, durabilidade e boa biocompatibilidade para uma vasta gama de aplicações aeroespaciais e médicas. Este artigo aborda conhecimentos importantes sobre a usinagem de titânio, incluindo como escolher ferramentas, por que o titânio é difícil de usinar, dicas para a usinagem CNC de titânio e aplicações.

O que é o titânio?

O titânio é um metal de transição com brilho branco-prateado, descoberto em Inglaterra em 1791. Duas das características mais importantes do titânio são a sua relação resistência-peso e a sua resistência à corrosão. Além disso, tem uma excelente biocompatibilidade e é inofensivo mesmo quando utilizado em grandes quantidades, o que o torna valioso na área médica. No fabrico, o titânio é frequentemente ligado ao alumínio, vanádio, zircónio e molibdénio.

Por que escolher o titânio para peças de usinagem CNC?

Embora o titânio seja caro de usinar, continua a ser um material de fabrico popular. Seguem-se as principais vantagens do titânio como material de usinagem:

Resistência à corrosão: O titânio reage facilmente com o oxigénio para formar uma fina camada de óxido na sua superfície, resultando numa resistência natural à corrosão.

Relação resistência-peso: A densidade do titânio é de 4,51 g/cm3, 57% da do aço, o que o torna menos denso; o titânio é menos de duas vezes mais pesado do que o alumínio e três vezes mais resistente.

Biocompatibilidade: O titânio tem uma elevada biocompatibilidade. No corpo humano, resiste à corrosão provocada pelas secreções e não é tóxico, o que o torna um material ideal para a indústria médica.

Durabilidade: O titânio tem uma resistência muito elevada; a resistência específica da liga de titânio é 3,5 vezes a do aço inoxidável, 1,3 vezes a da liga de alumínio e 1,7 vezes a da liga de magnésio.

Não magnético: o titânio não é magnético, não é afetado por interferências magnéticas, sendo um material importante para scanners médicos, aeronaves, satélites e radares.

Por que usinar titânio por CNC?

Devido às características da liga de titânio, como elevada resistência e baixa condutividade térmica, existem problemas como dificuldade de corte e usinagem, baixa eficiência de usinagem e desgaste grave das ferramentas, pelo que o custo de produção é elevado. No entanto, com a melhoria contínua da tecnologia de processamento de corte, retificação e moldagem por CNC, o custo continua a diminuir; o processo de usinagem CNC é maduro e de alta precisão, continuando a ser o principal método atual de processamento de ligas de titânio.

Por que é difícil usinar o titânio?

Concentração de temperatura

A condutividade térmica da maioria das ligas de titânio é muito baixa, apenas 1/7 da do aço, 1/16 da do alumínio e 1/25 da do cobre. Por conseguinte, o calor gerado durante o corte das ligas de titânio não é rapidamente transferido para a peça nem removido pelas aparas, mas concentra-se na zona de corte.

A temperatura gerada na ponta da ferramenta pode atingir os 1 000 °C, provocando o desgaste rápido e a fissuração do gume da ferramenta e a acumulação de aparas, encurtando a vida útil da ferramenta.

Deformação elástica

O módulo de elasticidade da liga de titânio não é muito elevado; por exemplo, o módulo de elasticidade do Ti-6Al-4V (titânio de grau 5) é de apenas 110 GPa, enquanto o módulo de elasticidade do aço 45 é de 210 GPa, e o módulo de elasticidade de aços inoxidáveis como o 304 e o 316 é também de cerca de 200 GPa. Por conseguinte, a deformação elástica ocorre facilmente ao usinar ligas de titânio.

Vibração

A elasticidade das ligas de titânio pode ser benéfica para o desempenho da peça, mas a deformação elástica da peça durante o processo de corte é uma causa significativa de vibração.

A usinagem de ligas de titânio gera aproximadamente 10 vezes mais vibração do que o aço. Como o calor do corte se concentra na secção de corte, produz aparas dentadas e provoca flutuações na potência de corte.

Dicas úteis para usinar titânio

Arrefecimento

Utilize refrigerante para reduzir as temperaturas elevadas de corte. O refrigerante de óleo insolúvel é adequado para corte pesado a baixa velocidade, e o refrigerante de corte solúvel é adequado para corte a alta velocidade. Os métodos de corte a baixa temperatura, como a utilização de azoto líquido (-180 °C) ou CO2 líquido (-76 °C) como fluido de corte, podem reduzir eficazmente a temperatura da zona de corte, melhorar a qualidade das superfícies maquinadas e prolongar a vida útil das ferramentas de corte.

Seleção de ferramentas de corte adequadas

A seleção de ferramentas de corte adequadas pode melhorar significativamente a eficiência da usinagem. Uma vez que o calor da liga de titânio depende principalmente do gume de corte e do refrigerante para ser dissipado, em vez de ser evacuado através das aparas como no caso do aço, a minúscula parte do gume de corte tem de suportar grandes tensões térmicas e mecânicas. Manter o gume de corte afiado reduz as forças de corte. Quando necessário, podem utilizar-se ferramentas revestidas para minimizar a aderência da liga e fragmentar as aparas excessivamente longas.

Avanço constante ou taxa de avanço aumentada

Durante o corte, a dureza das ligas de titânio aumenta, o que acelera o desgaste da ferramenta. Por conseguinte, é essencial manter um avanço constante para minimizar o encruamento. Se o desempenho do equipamento o permitir, tente aumentar a taxa de avanço para minimizar a probabilidade de acumulação de calor e de encruamento.

Como escolher as ferramentas de corte certas para a usinagem de titânio?

Na usinagem CNC de titânio, é frequentemente um desafio utilizar as ferramentas de corte certas, e eis os fatores que devem ser considerados:

Número de gumes nas ferramentas de corte

Para o titânio, quanto maior o número de gumes, menor o padrão de vibração. Para obter ciclos de usinagem mais curtos, deve aumentar o número de canais de evacuação de aparas na sua ferramenta de fresamento. Por exemplo, uma fresa de topo de 10 canais tem uma carga de aparas baixa para a maioria dos materiais, mas é ideal para o titânio. Isto reduz principalmente o engajamento radial.

Geometria da ferramenta

A seleção de uma geometria de ferramenta adequada, incluindo o ângulo de corte, o ângulo frontal e o ângulo posterior, pode reduzir a força de corte e diminuir o calor de corte. Ao maquinar liga de titânio, deve geralmente selecionar-se um ângulo frontal menor, o que pode melhorar significativamente a resistência do gume de corte e a resistência ao lascamento; a seleção de um ângulo posterior maior pode reduzir a área de contacto entre a parte posterior da ferramenta e a superfície de transição e a superfície maquinada.

Fresa de alto avanço

As fresas de alto avanço são adequadas para manter um baixo engajamento ao maquinar titânio axial e radialmente. As fresas de alto avanço são ideais para minimizar a interação ao maquinar titânio na direção radial com um CNC de 5 eixos.

Revestimentos de ferramentas de corte

Os revestimentos podem ser eficazes na redução do atrito e na melhoria da resistência a altas temperaturas das ferramentas de corte. O TiAlN (revestimento PVD de nitreto de titânio e alumínio) é um excelente revestimento utilizado numa vasta gama de ferramentas de corte. É lubrificante, previne a acumulação de aparas, o desgaste e a soldadura de aparas, e é idealmente adequado às temperaturas utilizadas no fresamento CNC de ligas de titânio.

Manter o gume de corte afiado e evitar interrupções de corte

Devido ao seu baixo módulo de Young, o titânio tem elevada resistência e elasticidade. Isto significa que, para remover aparas da superfície de forma eficiente e sem atrito, precisamos de utilizar ferramentas afiadas. Tente evitar o corte intermitente, uma vez que este tipo de corte comprime as aparas contra a ferramenta afiada e pode levar à falha prematura da ferramenta.

Acabamentos superficiais para peças de titânio maquinadas

• Eletroforese
• Jateamento de esferas
• Polimento
• Cromagem
• Pintura
• Revestimento PVD
• Pintura em pó

Aplicações de peças de titânio maquinadas

As peças de titânio maquinadas são duráveis, resistentes à corrosão e esteticamente agradáveis. Estas propriedades tornam-nas adequadas para utilização numa variedade de indústrias

Aeroespacial

O titânio é um material indispensável na indústria aeroespacial devido ao seu baixo peso, excelente tenacidade a baixas temperaturas e resistência a altas temperaturas. Na indústria aeroespacial, o titânio é utilizado no fabrico de carcaças de motores de foguetes, carcaças de satélites artificiais, naves espaciais, contentores de temperatura ultrabaixa e tanques de armazenamento em naves espaciais tripuladas. No fabrico de aeronaves, o titânio e as suas ligas desempenham um papel importante no fabrico de discos de turbina de aeronaves, pás, rebites, carcaças, componentes estruturais da fuselagem, entre outros.

Química

O titânio é frequentemente utilizado na indústria petroquímica para fabricar permutadores de calor, reatores, tanques de armazenamento e outros equipamentos, devido ao seu elevado nível de resistência à corrosão e ao calor. Sobretudo em algumas situações em que é exigida uma elevada resistência à corrosão, o titânio é utilizado de forma mais generalizada.

Médico

O titânio é amplamente utilizado em dispositivos médicos devido à sua excelente biocompatibilidade, ausência de magnetismo e resistência à corrosão. O titânio de grau médico é utilizado no fabrico de próteses articulares, ossos artificiais, implantes dentários, pacemakers e outros dispositivos médicos. Estes produtos em titânio apresentam boa compatibilidade com os ossos e tecidos humanos e podem ser implantados no corpo durante longos períodos sem reações adversas.

Automóvel

O titânio tem um peso leve, boa resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão, pelo que é cada vez mais utilizado na indústria automóvel, incluindo no fabrico de componentes de motores, bielas, cambotas, sistemas de escape, peças de carroçaria e de chassis. A utilização de ligas de titânio no fabrico de peças permite reduzir significativamente o peso dos automóveis, melhorar a eficiência de combustível e prolongar a vida útil.

Marítimo

A resistência à corrosão do titânio permite-lhe operar de forma estável em água do mar durante longos períodos. Os submarinos fabricados em titânio não só resistem à corrosão da água do mar (segundo experiências, o titânio colocado no fundo do mar durante 20 a 50 anos não é corroído), como também resistem à pressão em profundidade, sendo a sua profundidade de mergulho 80% superior à dos submarinos em aço inoxidável. Ao mesmo tempo, o titânio é não magnético, não é detetado por minas e tem um excelente papel antidetecão. É frequentemente utilizado no fabrico de equipamentos de dessalinização, equipamentos de perfuração de petróleo offshore e centrais de conversão de energia térmica oceânica.

Desporto e bens de uso diário

A resistência à corrosão e a estética do titânio tornam-no ideal para utilização em artigos desportivos e de uso geral. O titânio é consumido em enormes quantidades no setor global de fabrico de equipamentos de golfe, com mais de 6 000 toneladas de titânio utilizadas anualmente no fabrico de equipamentos de golfe em titânio. Além disso, o titânio é amplamente utilizado em raquetes de ténis, raquetes de badminton, bastões de esqui, pás de neve, bastões de alpinismo, pontas de caminhada, trenós, máscaras de esgrima, canas de pesca, bicicletas, armações de óculos, utensílios alimentares, relógios, artesanato e outros artigos domésticos.

O titânio tem uma vasta gama de aplicações que abrange a aerospacial, química, médica, automóvel, marítima, desportiva e de bens de uso diário. Com o progresso contínuo da ciência e da tecnologia e a melhoria contínua do desempenho do material de titânio, as aplicações do titânio continuarão a expandir-se.

Graus de titânio comuns para usinagem CNC

Na usinagem CNC, os tipos de titânio e de ligas de titânio são principalmente categorizados de acordo com as suas composições e aplicações; os tipos comuns são titânio Grau 1, titânio Grau 2, titânio Grau 3, titânio Grau 4, titânio Grau 5, titânio Grau 6, titânio Grau 7, titânio Grau 23, etc. Se quiser saber mais sobre o titânio, não pode perder o nosso blog – o que é o titânio: o guia definitivo .

Escolha a DEK para a usinagem de peças em titânio

A DEK é uma empresa de usinagem CNC profissional e experiente, especializada na usinagem de ligas de titânio. Com centros de usinagem de 5 eixos de última geração e uma equipa de designers e engenheiros altamente qualificados, fornecemos usinagem CNC de ligas de titânio de alta qualidade a preços competitivos para uma vasta gama de indústrias. Alguns dos nossos casos de sucesso incluem impulsores, suportes de antenas e fixadores.

Conclusão

Ao ler este blog, terá certamente adquirido uma compreensão abrangente da usinagem CNC de titânio. A usinagem de titânio e das suas ligas exige especial atenção e um manuseamento delicado para garantir a produção ideal da peça. Ao contrário de metais comuns como o aço e o cobre, a usinagem do titânio apresenta desafios únicos e exige a utilização das ferramentas adequadas, técnicas especializadas e bastante paciência. Por este motivo, é frequentemente melhor subcontratar projetos de usinagem CNC de titânio a uma equipa especializada como a DEK, onde podemos garantir a elevada qualidade e precisão das peças.

Perguntas frequentes

Qual é o custo da usinagem CNC de titânio?

O custo da usinagem CNC de titânio pode variar em função de vários fatores, como a complexidade da peça, o seu tamanho, as tolerâncias exigidas, a quantidade produzida e o grau de titânio utilizado.

Que tipos de ferramentas de corte são habitualmente utilizadas para maquinar titânio?

Ferramentas de aço rápido (HSS); pastilhas de metal duro; pastilhas cerâmicas e ferramentas de diamante policristalino (PCD)

Qual é a velocidade de corte do titânio?

Na usinagem CNC de titânio, recomendam-se velocidades de corte baixas. Velocidades de corte mais elevadas podem aumentar facilmente a temperatura na ponta da ferramenta, o que pode comprometer as ferramentas.

O titânio deforma-se durante a maquinagem?

O titânio pode deformar-se durante a maquinagem devido à sua baixa condutividade térmica e elevada resistência, que provocam acumulação de calor e tensões residuais. São necessárias técnicas adequadas de arrefecimento e maquinagem para minimizar a deformação.