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

Grade 5, known as Ti-6AI-4V, is a common titanium alloy. It comprises 4 percent vanadium, 6 percent aluminum, and 90 percent titanium. It is essential in parts that require strength, low weight, and a high level of corrosion. The Ti-6Al-4V alloy is highly suitable because it responds excellently to metal heat treatment. Through proper thermal processing, manufacturers can significantly enhance its mechanical properties for the most demanding aerospace operations.

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

Grade 2 titanium is widely used like pure Titanium (CP titanium). It is typical of unalloyed titanium. It provides effective corrosion resistance and offers effective formability. Therefore, it is important to manufacture parts that undergo exposure to harsh chemicals and salt water. Nevertheless, Grade 2 possesses a lower mechanical strength profile. It typically exhibits a minimum yield strength of 275 MPa, which is substantially lower than the 828 MPa minimum yield strength of Grade 5 ^[1]. Consequently, Grade 2 is prioritized for extreme corrosion resistance rather than high-stress load-bearing applications.

Aplicações

• Equipamento de processamento químico: The industry relies heavily on this grade to construct reactors, tanks, and heat exchangers. It is also an excellent material choice for precision industrial components, perfectly demonstrated in the production of custom titanium shims used to ensure precise spacing in corrosive heavy machinery.
• 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

Grade 23 titanium is commonly is Ti-6AI-4V ELI, representing Extra low interstitial. As an Extra Low Interstitial (ELI) alloy, it is specifically refined to contain a maximum oxygen content of strictly 0.13%, compared to the 0.20% allowable in standard Grade 5 ^[2]. This precise reduction in interstitial elements is highly effective in enhancing the material’s overall ductility and fracture toughness. It also indicates fracture toughness and decreased risk of brittleness. Its uses are when an extremely high strength–to–weight ratio exists.

Aplicações

• Aeroespacial: O grau 23 desempenha um papel importante na produção de componentes de aeronaves, incluindo as asas.
• Médico: In the medical sector, Grade 23 is the gold standard for biocompatibility. It is extensively utilized by engineers navigating strict medical metal selection criteria to produce complex orthopedic implants and dental devices.
• 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

Compared to standard Grade 5, machining Grade 23 (ELI) demands even stricter control over cutting speeds, cooling, and tool material selection to preserve its specialized microstructure.

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: At the end of machining, parts need to be inspected. The objective is to achieve high dimensional accuracy. Another objective is to attain a surface finish. As titanium exhibits a low rate of thermal conductivity, preventing material warping is absolutely critical. The aim is to achieve constant-level monitoring.
6. Pós-processamento: Post-process treatments like coating and anodização are essential for increasing material properties. The treatment’s application depends on the parts’ applications. The application of these treatments is highly dependent on the part’s final environment. Ultimately, the correct surface finishing for CNC machined parts aims to improve overall corrosion resistance and enhance aesthetic properties.

Titânio vs. Outros Metais na Maquinação CNC

Relação força/peso

Titanium is highly valued in CNC machining due to its strength-to-weight ratio. It is, therefore, necessary for operations that depend on materials’ lightweight and durability properties. Titanium also upholds traits comparable to and superior to those of steel. It is, therefore, effective in applications including implants, aerospace and automotive. While it is denser than aluminum, titanium possesses significantly higher tensile strength and fatigue resistance, making it the superior choice for high-stress components where aluminum would fail. Consequently, it provides a distinctive, unique balance that enhances the integrity of structures and prevents unnecessary weight. The property makes titanium important in manufacturing aircraft frames and high-performing gadgets in sporting activities.

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

A valuable property of titanium is its corrosion resistance. Titanium’s resistance to corrosion is better than that of aluminum. Under oxygen exposure, titanium instantly develops a passive oxide layer on its surface. This chemical reaction acts as an impenetrable barrier against environmental damage, effectively stopping further corrosion, oxidation, and rust even in harsh acidic or saltwater conditions. The natural resistance makes titanium a better choice for parts applicable to areas with acid, saltwater, and industrial chemicals.

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

Titanium presents unique challenges in the machining process. The unique physical properties of titanium present distinct challenges during the cutting process. Specifically, titanium possesses an extremely low thermal conductivity of approximately 6.7 W/m·K, which is only a small fraction compared to steel and aluminum ^[3]. Consequently, up to 80% of the heat generated during machining does not dissipate through the chip, but instead concentrates directly at the cutting tool edge. The outcomes of such a process are high rates of wear and tear. It also leads to high workplace damage when there is poor management. The specialized cutting tools, coolants, and slower machining prevent overheating and aid in precision maintenance. Titanium needs effective care to prevent excessive tool wear. Aluminum, on the other hand, is highly machinable and enables fast cutting speeds.

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.

Sugestões: Saiba mais sobre os outros processos de maquinagem de metais

Referência

[1] ASTM International. (2020). ASTM B265-20a Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate. https://doi.org/10.1520/B0265-20A

[2] ASTM International. (2013). ASTM F136-13 Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) Alloy for Surgical Implant Applications. https://doi.org/10.1520/F0136-13

[3] Ezugwu, E. O., & Wang, Z. M. (1997). Titanium alloys and their machinability—a review. Revista de Tecnologia de Processamento de Materiais, 68(3), 262-274. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)00030-1