Maquinação CNC de titânio: Um guia completo para ligas, aplicações e melhores práticas

O titânio é conhecido pela sua impressionante relação resistência/peso. A maquinagem CNC considera que as propriedades de resistência e durabilidade fazem parte das suas caraterísticas. Os fabricantes centram-se na durabilidade e, consequentemente, na longevidade. As suas propriedades únicas tornam-no muito procurado em várias indústrias. As peças feitas de titânio são comuns no sector aeroespacial, militar e médico. O sucesso da maquinagem CNC depende da seleção dos materiais necessários para a sua utilização.

Liga de titânio comum para maquinagem CNC

O titânio é vital em diferentes níveis no CNC. As ligas de titânio estão divididas em grupos beta, alfa e alfa-beta. Cada grupo apresenta caraterísticas únicas que se adequam a aplicações específicas.

1. Titânio de grau 5 (Ti -6AI-AV)

Características

A liga de grau 5, conhecida como Ti-6Al-4V, é uma liga de titânio comum. É composta por 4% de vanádio, 6% de alumínio e 90% de titânio. É essencial em peças que exigem resistência, baixo peso e elevada resistência à corrosão. A liga Ti-6Al-4V é altamente adequada, uma vez que apresenta um excelente comportamento perante tratamento térmico de metais. Através de um tratamento térmico adequado, os fabricantes podem melhorar significativamente as suas propriedades mecânicas para as operações aeroespaciais mais exigentes.

Aplicações

O titânio de grau 5 desempenha um papel fundamental em várias aplicações de elevado desempenho.

• Aeroespacial: É crucial no fabrico de peças de fuselagem de aeronaves, pás de turbinas e asas. O material tem de reduzir o peso e, ao mesmo tempo, manter a resistência e a durabilidade.
• Implantes médicos: O Ti-6Al-4V é amplamente utilizado no fabrico de implantes dentários, próteses e próteses da anca.
• Marinha: O Ti-6AI-4AV é vital no fabrico de produtos com elevada resistência à água salgada. Para os fuzileiros navais, é aplicável nos ambientes de material para fabrico. Os produtos mais comuns são os fixadores e as hélices.
• Automóvel: O Ti-6AI-4V é importante no fabrico de peças para automóveis. As peças essenciais incluem os componentes do motor e outros sistemas que aparecem esgotados.

Considerações sobre maquinagem para titânio de grau 5

As ligas de titânio, especialmente as de grau 5, podem oferecer desafios à maquinagem. A elevada resistência à tração do titânio coloca desafios à maquinagem e à geração de calor durante a maquinagem. É necessária precisão para evitar o desgaste da ferramenta e o sobreaquecimento. Ferramentas de corte de alta qualidade, baixas necessidades de corte e arrefecimento adequado são importantes para evitar comprometer a integridade existente do material.

Quando escolher titânio de grau 5

O grau 5 é a escolha de material mais eficaz para os fabricantes que necessitam de precisão, leveza e resistência. É também ideal para peças que apresentam uma elevada resistência à corrosão. É adequado para o desempenho em ambientes médicos, marítimos e médicos. Uma propriedade fundamental é a necessidade de resistência e durabilidade.

2. Titânio de grau 2

Características

O titânio de grau 2 é amplamente utilizado, tal como o titânio puro (titânio CP). É típico do titânio não ligado. Proporciona uma resistência eficaz à corrosão e oferece uma boa capacidade de conformação. Por isso, é importante para o fabrico de peças que sejam expostas a produtos químicos agressivos e à água salgada. No entanto, o grau 2 apresenta um perfil de resistência mecânica inferior. Normalmente, apresenta um limite de escoamento mínimo de 275 MPa, o que é substancialmente inferior ao limite de escoamento mínimo de 828 MPa do grau 5. ^[1]. Consequentemente, o Grau 2 é prioritário para aplicações que exigem resistência extrema à corrosão, em vez de aplicações que envolvam a suporte de cargas elevadas.

Aplicações

• Equipamento de processamento químico: A indústria depende fortemente deste tipo de material para a construção de reatores, tanques e permutadores de calor. É também uma excelente escolha de material para componentes industriais de precisão, como se demonstra perfeitamente na produção de calços de titânio personalizados utilizado para garantir um espaçamento preciso em maquinaria pesada sujeita à corrosão.
• Ferragens marítimas: As principais peças e produtos no fabrico de ferragens para o sector marítimo incluem fixadores, tacos para barcos e hélices.

Considerações sobre maquinagem para titânio de grau 2

O titânio de grau 2 é leve e, por isso, fácil de trabalhar em comparação com o grau 5. No entanto, a sua dureza apresenta desafios. É necessária uma velocidade de corte efectiva. Não é propenso ao endurecimento por trabalho como outras ligas. Além disso, a lubrificação é fundamental para evitar o desgaste.

Quando escolher titânio de grau 2

 Os fabricantes e os utilizadores aplicam abordagens diferentes para escolher os melhores materiais para a produção. O titânio de grau 2 é altamente valorizado pela sua excecional resistência à corrosão. Esta resistência inclui o processamento químico e ambientes marinhos. No entanto, a sua elevada resistência é menos preocupante.

3. Titânio de grau 23 (Ti-6Al-4V ELI)

Características

O titânio de grau 23 é normalmente designado por Ti-6Al-4V ELI, o que significa «extra baixo teor de intersticiais». Como liga de teor intersticial extra baixo (ELI), é especificamente refinada para conter um teor máximo de oxigénio estritamente igual a 0,13%, em comparação com os 0,20% permitidos no grau 5 padrão. ^[2]. Esta redução precisa dos elementos intersticiais é altamente eficaz para melhorar as propriedades do material dutibilidade global e resistência à fratura. Indica também resistência à fratura e uma redução do risco de fragilidade. É utilizado quando existe uma relação resistência/peso extremamente elevada.

Aplicações

• Aeroespacial: O grau 23 desempenha um papel importante na produção de componentes de aeronaves, incluindo as asas.
• Médico: No setor médico, o Grau 23 é a referência em termos de biocompatibilidade. É amplamente utilizado por engenheiros que têm de cumprir normas rigorosas seleção de metais para uso médico critérios para a produção de implantes ortopédicos complexos e dispositivos dentários.
• Marinha e Defesa: A Grade 2 é também um importante fabricante de peças que oferecem resistência e biocompatibilidade.

Considerações sobre maquinagem para titânio de grau 23

Em comparação com o Grau 5 padrão, a maquinagem do Grau 23 (ELI) exige um controlo ainda mais rigoroso das velocidades de corte, da refrigeração e da seleção do material da ferramenta, a fim de preservar a sua microestrutura específica.

Quando escolher titânio de grau 23

A escolha do titânio de grau 23 depende do elevado nível de desempenho. Isto também se deve ao elevado número de aplicações de fadiga nas indústrias médica e aeroespacial. Trata-se de um material duro, resistente à fadiga e de baixo peso.

4. Titânio de grau 9 (Ti-3Al-2,5V)

Características

O grau 9 é uma liga de titânio alfa-beta composta por 2,5 por cento de vanádio e 3 por cento de alumínio. Proporciona um equilíbrio em termos de formabilidade, força e resistência à corrosão. O seu peso mais leve em comparação com o Grau 5 torna-o mais adequado para determinadas aplicações. Apesar do seu peso, consegue manter um elevado nível de resistência.

Aplicações

• Peças aeroespaciais: O titânio de grau 9 é frequentemente selecionado para componentes aeroespaciais, como asas e trens de aterragem.
• Equipamento desportivo: O material de grau 9 é melhor para peças de desempenho leve como as de corrida.
• Automóvel: O desempenho em termos de leveza é indispensável para quadros de bicicletas e outros produtos no domínio do desporto.

Considerações sobre maquinagem para titânio de grau 9

O grau 9 é mais simples de maquinar do que os graus 23 e 5. No entanto, a obtenção de uma peça melhor passa por um controlo preciso das velocidades de corte. Também implica a lubrificação e os materiais da ferramenta. O objetivo é obter um acabamento de alta qualidade, minimizando o desgaste da ferramenta.

Quando escolher titânio de grau 9

O grau 9 é bom para peças moldáveis, leves e substanciais. É adequado para as indústrias e aplicações automóvel e aeroespacial.

Fluxo do processo de maquinagem CNC para titânio

A maquinação CNC de ligas de titânio exige o cumprimento de especificações definidas. Os fluxos específicos do processo são importantes para as propriedades distintivas da liga. O processo inclui as diferentes fases que cumprem todos os requisitos para obter os melhores resultados;

1. Seleção de materiais: A escolha da melhor liga de titânio deve depender da capacidade de resistência à corrosão e da força. Deve também centrar-se na resistência aos níveis de fadiga.
2. Conceção e programação: Desenvolver e transformar um modelo CAD da peça no programa CNC. O programa garante que a maquinação segue as especificações de operação e corte definidas.
3. Seleção e configuração de ferramentas: A liga de titânio requer ferramentas de corte altamente especializadas, que devem ser feitas de cerâmica ou carboneto. O objetivo é suportar forças de corte de alto nível. Também precisam de suportar a dureza do material, daí a eficácia do processo de conceção. A seleção das ferramentas está sempre de acordo com a função da peça.
4. Operações de maquinagem: As operações de maquinagem requerem corte em bruto, perfuração e acabamento. A sensibilidade do titânio ao calor torna obrigatória a gestão das velocidades de corte. O processo também requer um fluido de arrefecimento adequado para ultrapassar o elevado nível de sobreaquecimento.
5. Inspecções: No final da usinagem, as peças têm de ser inspecionadas. O objetivo é alcançar uma elevada precisão dimensional. Outro objetivo é obter um bom acabamento superficial. Uma vez que o titânio apresenta uma baixa condutividade térmica, é absolutamente essencial evitar a deformação do material. O objetivo é garantir uma monitorização constante.
6. Pós-processamento: Tratamentos de pós-processamento, como o revestimento e anodização são essenciais para melhorar as propriedades dos materiais. A aplicação do tratamento depende da finalidade das peças. A aplicação destes tratamentos depende em grande medida do ambiente em que a peça irá ser utilizada. Em última análise, o acabamento adequado da superfície para peças maquinadas por CNC tem como objetivo melhorar a resistência geral à corrosão e realçar as propriedades estéticas.

Titânio vs. Outros Metais na Maquinação CNC

Relação força/peso

O titânio é muito valorizado na maquinagem CNC devido à sua relação resistência/peso. É, por isso, essencial para operações que dependem das propriedades de leveza e durabilidade dos materiais. O titânio apresenta também características comparáveis e superiores às do aço. É, por isso, eficaz em aplicações que incluem implantes, o setor aeroespacial e o setor automóvel. Embora seja mais denso do que alumínio, o titânio possui uma resistência à tração e uma resistência à fadiga significativamente superiores, o que o torna a escolha ideal para componentes sujeitos a elevadas tensões, em que o alumínio não seria adequado. Consequentemente, proporciona um equilíbrio distinto e único que reforça a integridade das estruturas e evita peso desnecessário. Esta propriedade torna o titânio essencial no fabrico de estruturas de aeronaves e de equipamentos de alto desempenho para atividades desportivas.

Além disso, é importante para os componentes dos veículos espaciais. Uma das principais propriedades a que os fabricantes se dedicam é a redução do peso, que é crucial para o desempenho e a eficiência. As vantagens são, portanto, a longo prazo. Os resultados a longo prazo são a relação custo-eficácia. É uma melhor escolha para as operações automóveis, permitindo uma maior eficiência e eficácia. A combinação de baixo peso e elevados níveis de resistência é importante para o titânio e para os seus fabricantes. O objetivo é conceber estruturas avançadas e de alta qualidade para resistir a condições extremas. A peça seria eficaz em todas as condições climatéricas.

Resistência à corrosão

Uma propriedade valiosa do titânio é a sua resistência à corrosão. A resistência do titânio à corrosão é superior à do alumínio. Quando exposto ao oxigénio, o titânio desenvolve instantaneamente uma camada de óxido passivo na sua superfície. Esta reação química atua como uma barreira impenetrável contra os danos ambientais, impedindo eficazmente que a corrosão continue corrosão, oxidação e ferrugem mesmo em condições adversas de acidez ou água salgada. A resistência natural torna o titânio a melhor escolha para peças destinadas a áreas com ácido, água salgada e produtos químicos industriais.

Além disso, é adequado para ambientes marinhos onde os produtos mantêm a sua resistência original sem sofrerem corrosão. Os revestimentos de proteção são importantes, especialmente para peças de transporte, equipamento de perfuração offshore e dessalinização de instalações. O alumínio também é resistente à corrosão. No entanto, sofre de corrosão e oxidação em condições extremas durante longos períodos. A capacidade do titânio para resistir a condições extremas é também importante nas práticas médicas. A biocompatibilidade e a resistência à humidade e aos fluidos corporais fazem dele a melhor escolha para substituições de articulações - outras áreas são os instrumentos cirúrgicos e os implantes dentários. O objetivo é obter um desempenho a longo prazo em aplicações-chave.

Maquinabilidade

O titânio apresenta desafios únicos no processo de maquinagem. As propriedades físicas únicas do titânio colocam desafios específicos durante o processo de corte. Mais concretamente, o titânio possui uma condutividade térmica extremamente baixa, de aproximadamente 6,7 W/m·K, o que representa apenas uma pequena fração em comparação com o aço e o alumínio ^[3]. Consequentemente, até 80% do calor gerado durante a maquinagem não se dissipa através da limalha, concentrando-se, em vez disso, diretamente na aresta da ferramenta de corte. Os resultados desse processo são elevadas taxas de desgaste. Além disso, conduz a danos significativos no local de trabalho quando a gestão é inadequada. As ferramentas de corte especializadas, os fluidos de arrefecimento e uma usinagem mais lenta evitam o sobreaquecimento e contribuem para a manutenção da precisão. O titânio requer cuidados eficazes para evitar o desgaste excessivo das ferramentas. O alumínio, por outro lado, é altamente usinável e permite velocidades de corte elevadas.

Por outro lado, o aço é mais rígido do que o alumínio, mas mais eficaz para a maquinagem do que o titânio. O aço dissipa o calor de forma mais eficaz. No entanto, apesar dos desafios, é uma ferramenta aplicável em indústrias de alto desempenho devido às suas qualidades distintivas. As técnicas de maquinação modernas, incluindo a maquinação a laser e o corte a jato, são importantes para melhorar a eficiência de trabalho das ligas de titânio.

Tolerâncias de maquinação de perfis de titânio

As ligas de titânio são importantes devido às suas propriedades de resistência à corrosão, elevada resistência e leveza. O material é ideal e, por isso, comum no fabrico de peças aeroespaciais, militares e médicas. No entanto, os traços existentes têm desvantagens que os impedem de se adaptarem efetivamente para serem uma melhor ferramenta para o processo de maquinagem. As ligas de titânio exigem tolerâncias de maquinagem apertadas para cumprirem as especificações das peças acabadas.

A tolerância varia consoante o tipo de liga de titânio no processo de maquinagem. Depende também dos requisitos específicos da aplicação. Para maquinação standard, os perfis de titânio variam entre ±0.002 polegadas a ±0.010 polegadas. Este facto implica que já é mais preciso do que outros materiais. Para peças que exigem tensões elevadas e gestão da temperatura, é importante uma tolerância apertada de ±0,001 polegadas. Estas aplicações são mais comuns nos fabricantes de peças aeroespaciais e militares. A obtenção de uma tolerância tão apertada em titânio exige máquinas CNC mais aperfeiçoadas. Também é necessário um controlo eficaz da maquinação e ferramentas especializadas para ajudar a evitar erros e cumprir as especificações.

Conclusão

A força do titânio e a sua resistência à corrosão fazem dele um material importante na maquinagem CNC. É também um material leve e eficaz para operações militares e médicas. As ligas de maquinagem de titânio têm caraterísticas técnicas devido à sua menor dureza e tendência para aquecer. Os resultados são evidentes na elevada taxa de desgaste. As caraterísticas do titânio implicam, por conseguinte, que a liga seja importante em domínios de utilização específicos. Também pode ser objeto de grandes melhorias para satisfazer requisitos específicos, utilizando as técnicas necessárias para determinadas indústrias.

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Referência

[1] ASTM International. (2020). ASTM B265-20a Especificação-padrão para tiras, chapas e placas de titânio e de ligas de titânio. https://doi.org/10.1520/B0265-20A

[2] ASTM International. (2013). Norma ASTM F136-13: Especificação para a liga de titânio-6, alumínio-4 e vanádio ELI (conteúdo intersticial extremamente baixo) forjada, destinada a aplicações em implantes cirúrgicos. https://doi.org/10.1520/F0136-13

[3] Ezugwu, E. O., & Wang, Z. M. (1997). Ligas de titânio e a sua usinabilidade — uma revisão. Revista de Tecnologia de Processamento de Materiais, 68(3), 262-274. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)00030-1