Guia de usinagem de titânio: Ferramentas, técnicas e eficiência

A usinagem de titânio é um dos metais mais procurados atualmente, especialmente em setores de alta tecnologia como o aeroespacial, o médico e o automobilístico, pois possui alta relação resistência-peso, propriedades anticorrosivas e biocompatibilidade. Embora o titânio tenha essas propriedades maravilhosas, ele também é um dos metais mais difíceis de usinar. Entretanto, o titânio é mais rígido e mais forte do que quase todos os metais, inclusive o alumínio ou o aço. Era difícil cortar, moldar e retificar com precisão. Os principais problemas surgem com a alta resistência, o baixo coeficiente de condutividade térmica e a tendência de induzir o desgaste excessivo da ferramenta no titânio.

Tudo isso pode resultar em aumento de custos, maior tempo de produção e também em danos às ferramentas e ao material. Além disso, também é necessário usar conjuntos específicos de ferramentas e métodos para enfrentar a maior geração de calor e forças de corte na usinagem. De grande importância para os setores que exigem a usinagem de titânio como material de fabricação para peças de alto desempenho, o desenvolvimento constante com tecnologia moderna e métodos de usinagem permite que os fabricantes combatam esses problemas com mais eficiência.

Desafios das forças de corte na usinagem de titânio

O principal desafio da usinagem de titânio é que ela requer forças de corte consideráveis para ser cortada. As ligas de titânio também são resistentes, pesadas e rígidas e, portanto, são necessários cortes ou máquinas mais fortes. Todas essas forças foram associadas a outros problemas relacionados, alguns dos quais incluem aumento das vibrações, redução da vida útil da ferramenta e qualidades adversas da superfície. A ferramenta tem dificuldade para cortar porque as ligações dos átomos de titânio são mais fortes, o que significa que o atrito e o calor resultantes do corte são maiores.

Isso, na verdade, significa que as chances de danos à peça de trabalho ou ao ferramental são maiores em níveis mais altos de forças de corte. Isso é especialmente mais desafiador quando se trata de geometrias ou tolerâncias detalhadas, para as quais a precisão máxima é uma questão de extrema importância. Além disso, as altas forças de corte levam à divergência ou à flexão da peça de trabalho, causando imprecisões no produto final e, portanto, em sua qualidade e desempenho. Isso exige que os fabricantes façam um ajuste fino e detalhado dos parâmetros de usinagem, como velocidade de corte, taxa de avanço e profundidade de corte, para determinar as condições ideais para a usinagem de titânio.

Propriedades do titânio que influenciam a usinagem

O titânio é um metal exclusivo com propriedades úteis que o tornam um material valioso, mas também muito difícil de usinar. Ele é muito mais forte do que outros metais, mas é muito mais leve, e é por isso que o titânio encontra aplicações na engenharia aeroespacial e militar. As ligas de titânio resistem à corrosão, às altas temperaturas e ao desgaste e são apropriadas para ambientes exigentes. Mas essas também são suas propriedades muito preciosas que tornam o titânio tão valioso e, ao mesmo tempo, criam problemas na usinagem.

O principal desafio é que a usinagem do titânio é mais dura do que a maioria dos metais; consequentemente, as ferramentas de corte também precisam ser bastante duras e afiadas para lidar com esse material. Em segundo lugar, o titânio tem baixa condutividade térmica, o que significa que, durante a usinagem, o calor acumulado não se dissipa e se acumula exorbitantemente dentro da usinagem de ponta. Isso aumenta o desgaste da ferramenta e pode diminuir a qualidade da peça de trabalho, especialmente quando a precisão é uma aplicação. Devido a esses problemas inerentes, a usinagem de titânio requer ferramentas, equipamentos e métodos de resfriamento especiais.

Vida útil e desgaste da ferramenta na usinagem de titânio

Isso causa um rápido desgaste da ferramenta durante o processo de usinagem devido à dureza e à resistência do titânio. Outras propriedades incluem altíssima resistência à abrasão e ao desgaste, entre outras, tornando-o um metal muito exigente para ferramentas de corte em suas ligas. O material é resistente à corrosão, o que representa um desafio para as ferramentas de corte a serem usadas nesse método de corte tradicional, pois a penetração do material levará um tempo considerado significativo em taxas aceleradas de desgaste. Portanto, esses materiais de ferramentas precisam ser especialmente projetados para essas condições extremas.

Os materiais de ferramentas comuns usados na usinagem de titânio são o carboneto, a cerâmica e os aços para ferramentas revestidos. Embora os primeiros tenham mais desgaste e sejam mais duros em comparação com as ferramentas normais, todos eles ainda se desgastam. O atrito resultante entre a ferramenta de corte e o titânio, decorrente do superaquecimento, aumenta a taxa de desgaste. Com mais frequência do que o necessário, a maioria passa por substituições, resultando em custos mais altos a longo prazo. Além disso, como a ferramenta se desgasta rapidamente, sua aquisição é muito cara ou a substituição é mais frequente, o que contribui para aumentar o custo da usinagem.

Implicações dos níveis de alta temperatura do titânio na usinagem

A baixa condutividade térmica do titânio torna a usinagem ainda mais desafiadora devido ao fato de gerar muito calor na aresta de corte. No caso do titânio, assim como em metais de condutividade térmica mais alta, como o alumínio, o calor permanece na zona de usinagem porque ele absorve o calor que lhe é fornecido e a aresta de corte fica muito superaquecida durante a usinagem do titânio. Esse alto aquecimento causa aumento nas taxas de desgaste da ferramenta e distorção térmica na peça de trabalho, o que leva a imprecisões dimensionais ou defeitos na superfície.

Para resolver isso, devem ser aplicados sistemas de resfriamento, que podem ser de alta pressão, ar ou névoa, para permitir a dissipação do calor. No entanto, nem todas as metodologias de resfriamento são criadas da mesma forma e podem ser piores do que o problema, desenvolvendo problemas de corrosão ou rachaduras. Um desafio também é o controle de temperatura durante a usinagem. Se o resfriamento for inadequado, a ferramenta e a peça de titânio serão danificadas. Os fabricantes devem manter um equilíbrio entre o uso do líquido de arrefecimento e outros parâmetros de usinagem para garantir a qualidade da ferramenta e do produto final.

Problemas de integridade de superfície na usinagem de titânio

A integridade da superfície é muito importante durante a usinagem porque a temperatura desenvolvida durante o corte e as tensões em desenvolvimento podem criar danos à superfície no corte de titânio. Como as ligas de titânio são sensíveis a alguma forma de dano nas superfícies, isso pode incluir rachaduras, mudança de cor ou alterações metalúrgicas, perdendo assim a resistência inerente e a tenacidade de longo prazo no processo final. As temperaturas mais altas e as forças de corte associadas à usinagem introduzem tensões residuais que deformam ou distorcem os materiais.

A rugosidade da superfície será outra questão importante; afinal, é uma área de preocupação quando a precisão é altamente necessária. Para a fabricação de peças de titânio em aeroespacial e dispositivos médicosSe o senhor não tiver a certeza de que as imperfeições da superfície constituem uma falha catastrófica, isso pode ser um problema. Para reduzir esses riscos, os produtores precisam usar técnicas de usinagem de alta qualidade, como baixa velocidade de corte, ferramentas de alta precisão, técnicas de resfriamento controlado e assim por diante. A superfície usinada obtida será lisa e sem defeitos.

Técnicas para melhorar a eficiência da usinagem de titânio

A melhoria da eficiência da usinagem do titânio é muito importante para reduzir o custo de produção e melhorar a qualidade dos produtos. Muitas técnicas foram desenvolvidas para evitar problemas na usinagem de titânio, e todas elas serão discutidas em mais detalhes a seguir. A otimização dos parâmetros de corte, como velocidade de corte, taxa de avanço e profundidade de corte, reduzirá as forças de corte e o acúmulo de calor relacionados ao processo de corte. Outros métodos incorporam ferramentas de corte especializadas com um revestimento de alto desempenho que resiste ao desgaste em grande parte.

As técnicas HSM e HEM também surgiram na última década porque foi estabelecido que essas técnicas são eficazes para a remoção de material com desgaste quase nulo da ferramenta. Avançado Usinagem EDM e corte a laser também foram desenvolvidos porque permitem a usinagem precisa do material titânio com uma quantidade mínima de geração de calor. Essa combinação pode realmente aumentar a eficiência e a relação custo-benefício da usinagem de titânio, de modo que ela seja capaz de atender às necessidades de vários setores.

Desenvolvimentos tecnológicos e invenções na usinagem de titânio

O avanço tecnológico dominou o desenvolvimento da ciência dos materiais e os avanços da tecnologia usada na usinagem de titânio. A introdução de revestimentos modernos de ferramentas de corte melhorou significativamente a eficiência da usinagem do titânio, além de reduzir o desgaste da ferramenta devido à presença de TiN e DLC. O recentemente desenvolvido Sistemas CAD/CAM também aprimoraram a estratégia de usinagem dos fabricantes por meio de maiores precisões.

O avanço da tecnologia de resfriamento, por exemplo, o resfriamento criogênico e o MQL também acompanharam o calor gerado durante a usinagem, proporcionando melhor acabamento da superfície. Esses avanços em robótica e automação permitem a usinagem em velocidades mais altas e a mesma precisão de repetição com custos de mão de obra muito baixos e produtividade geral. E com essas tecnologias avançadas, os fabricantes de titânio terão chances mais efetivas de superar os desafios da usinagem de titânio para tornar esse material altamente útil possível de ser utilizado em ainda mais aplicações.

Conclusão

A usinagem do titânio é uma tarefa extremamente complicada porque ele possui características únicas. Essas propriedades do metal o tornam resistente, com alta força, baixa condutividade térmica e alta resistência ao desgaste. Alguns dos recursos para superar os problemas associados à usinagem de titânio incluem ferramentas, técnicas e sistemas de resfriamento especiais.

Embora a usinagem de titânio seja difícil, houve enormes melhorias na tecnologia de usinagem, nos materiais das ferramentas e no resfriamento. Devido às aplicações de alto desempenho que exigem titânio, é preciso haver uma inovação constante que reduza o custo, aumente a precisão e mantenha a qualidade das peças de titânio. Sabendo o que faz com que o titânio seja tão difícil de usinar, os fabricantes podem criar estratégias para obter o desempenho e a vida útil adequados para seus produtos.

Perguntas frequentes

Por que é difícil usinar titânio?

Devido à sua condutividade térmica relativamente baixa, ele causa rapidamente uma tendência de desgaste da ferramenta na usinagem. Na verdade, essas causas provocam uma alta força de corte associada ao aquecimento, o que pode levar à quebra da ferramenta de corte.

Como a temperatura afeta a usinabilidade do titânio?

Por ser um material de baixa condutividade térmica, a usinagem de titânio tende a acumular calor na aresta de corte, o que leva ao desgaste da ferramenta, a defeitos na superfície e a imprecisões dimensionais. Portanto, são necessários bons sistemas de resfriamento para lidar com isso.

Quais setores dependem de peças de titânio usinadas?

Os setores aeroespacial, médico, automotivo e de manufatura usam o titânio para componentes de alto desempenho e resistentes à corrosão.

Como os fabricantes podem reduzir o desgaste da ferramenta ao usinar titânio?

A otimização dos parâmetros de corte, o uso de ferramentas de corte revestidas e o emprego de técnicas avançadas de resfriamento ajudam a prolongar a vida útil da ferramenta e a melhorar a eficiência.