Usinagem CNC de ligas de titânio

As ligas de titânio ganharam a reputação de “metais da era espacial” devido à sua excecional combinação de propriedades, tornando-as indispensáveis em aplicações de elevado desempenho em várias indústrias. Embora as suas caraterísticas únicas ofereçam vantagens significativas, também apresentam desafios distintos na maquinagem CNC que requerem conhecimentos, técnicas e equipamento especializados. Este artigo fornece uma visão geral abrangente da maquinação CNC para ligas de titânio, abrangendo as suas principais propriedades, classes comuns, desafios de maquinação, melhores práticas, aplicações e considerações relacionadas.

Maquinação CNC de produtos médicos em liga de titânio

Principais propriedades e vantagens das ligas de titânio

As ligas de titânio destacam-se por um conjunto de propriedades superiores que as tornam muito procuradas para aplicações críticas:

Excecional relação força/peso: As peças em titânio rivalizam com a resistência à tração de certos aços, pesando aproximadamente metade do peso - apenas 40% mais pesado do que alumínio e 40% mais leves do que o aço, o que os torna ideais para indústrias em que a redução de peso é fundamental sem comprometer a integridade estrutural.
Resistência superior à corrosão: O titânio forma uma camada protetora de óxido quando exposto ao ar, que se pode auto-reparar, permitindo-lhe resistir à corrosão da água do mar, de produtos químicos e de ambientes agressivos. Esta propriedade torna-o uma escolha de topo para aplicações marítimas, de processamento químico e offshore.
Biocompatibilidade: Não tóxicas e compatíveis com os tecidos humanos, as ligas de titânio favorecem a osseointegração (ligação entre o osso e os implantes), o que as torna muito utilizadas em dispositivos médicos e dentários.
Resiliência a altas temperaturas: Com um ponto de fusão elevado, o titânio mantém a sua resistência e estabilidade mesmo em condições de temperatura extremas, sendo adequado para motores a jato, componentes de foguetões e equipamento industrial de elevado calor.
Reciclabilidade: O titânio é totalmente reciclável, alinhando-se com as práticas de fabrico sustentáveis e mantendo as suas propriedades principais.

Graus comuns de titânio para maquinagem CNC

O titânio está disponível em cerca de 40 graus ASTM, incluindo titânio comercialmente puro (Graus 1-4) e ligas de titânio (Graus 5 e superiores), cada uma delas adaptada a aplicações específicas:

Grau 1 (Comercialmente puro, baixo teor de oxigénio): Oferece excelente resistência à corrosão, elevada tenacidade ao impacto e fácil maquinabilidade, embora seja menos forte do que outras qualidades. As aplicações incluem o processamento químico, permutadores de calor, sistemas de dessalinização, peças para automóveis, estruturas de aviões e dispositivos médicos.
Grau 2 (comercialmente puro, teor de oxigénio padrão): Mais forte do que o grau 1, com elevada resistência à corrosão, boa ductilidade, formabilidade, soldabilidade e maquinabilidade. Utilizado em estruturas de aviões, motores de aviões, processamento de hidrocarbonetos, equipamento marítimo, dispositivos médicos e fabrico de clorato.
Grau 3 (comercialmente puro, teor médio de oxigénio): Mais difícil de moldar do que os graus 1 e 2, mas apresenta uma elevada resistência e resistência à corrosão com uma maquinabilidade decente. Comum em aplicações aeroespaciais, marítimas e médicas.
Grau 4 (comercialmente puro, elevado teor de oxigénio): O mais forte entre os graus de titânio puro, com excelente resistência à corrosão. Requer taxas de avanço elevadas, velocidades lentas e elevado fluxo de líquido de refrigeração devido à difícil maquinabilidade. As aplicações incluem recipientes criogénicos, permutadores de calor, sistemas hidráulicos, estruturas aéreas, equipamento cirúrgico e equipamento marítimo.
Grau 5 (Ti6Al4V): A liga de titânio mais utilizada (responsável por cerca de metade do consumo mundial de titânio), ligada com alumínio 6% e vanádio 4%. Equilibra uma elevada resistência à corrosão e uma excelente formabilidade, mas tem uma maquinabilidade fraca. Ideal para estruturas de fuselagem, motores de aeronaves, geração de energia, dispositivos médicos, equipamento marítimo/offshore e sistemas hidráulicos.
Grau 6 (Ti5Al-2.5Sn): Apresenta boa soldabilidade, estabilidade e resistência a altas temperaturas com resistência intermédia para ligas de titânio. Utilizado na contenção de gás líquido/propulsor para foguetões, estruturas de aviões, motores a jato e veículos espaciais.
Grau 7 (Ti-0,15Pd): Muitas vezes considerado puro, mas contém pequenas quantidades de paládio, oferecendo uma resistência superior à corrosão, excelente soldabilidade e formabilidade (embora menos resistente do que outras ligas). Aplicado no processamento químico e em peças de equipamento de produção.
Grau 11 (Ti-0,15Pd): Semelhante ao grau 7, com excelente resistência à corrosão, ductilidade e formabilidade, mas com uma resistência ainda mais baixa. Utilizado em aplicações de dessalinização, marítimas e de fabrico de clorato.
Grau 12 (Ti0.3Mo0.8Ni): Oferece elevada resistência a altas temperaturas, grande soldabilidade e resistência à corrosão, mas é mais caro do que outras ligas. Adequado para aplicações hidrometalúrgicas, componentes aeronáuticos/marítimos e permutadores de calor.
Grau 23 (Ti6Al4V-ELI): Oferece grande formabilidade, ductilidade, boa resistência à fratura e biocompatibilidade ideal, mas fraca maquinabilidade. É comummente utilizado em aparelhos ortodônticos, pinos/parafusos ortopédicos, agrafos cirúrgicos e cabos ortopédicos.

Desafios na maquinagem CNC de ligas de titânio

Apesar das suas vantagens, as ligas de titânio colocam desafios únicos que exigem abordagens especializadas:

Baixa condutividade térmica: O titânio dissipa o calor lentamente, levando a uma acumulação de calor localizada durante a maquinagem. Isto não só acelera o desgaste da ferramenta, como também acarreta o risco de distorção da peça, de endurecimento da maquinagem e até de incêndio.
Tendência para o endurecimento do trabalho: O material endurece rapidamente quando sujeito a forças de corte, tornando os cortes subsequentes mais difíceis e aumentando a tensão da ferramenta.
Flexibilidade e vibração: A resistência do titânio desmente a sua flexibilidade, que pode causar vibrações (vibração) durante a maquinagem. Isto requer sistemas de suporte de trabalho robustos e configurações de maquinação estáveis para manter a precisão.
Galgamento e borda construída (BUE): A natureza “gomosa” do titânio, especialmente nos graus comercialmente puros, faz com que adira às ferramentas de corte, formando BUE e escoriações. Isto prejudica o desempenho de corte, degrada a vida útil da ferramenta e compromete o acabamento da superfície.
Desgaste da ferramenta: A dureza e a abrasividade do titânio conduzem a uma degradação mais rápida da ferramenta, exigindo materiais e revestimentos duráveis para a ferramenta.

Processos, dicas e técnicas de maquinagem

Para ultrapassar estes desafios e garantir resultados de elevada qualidade, são essenciais as seguintes boas práticas:

Seleção e revestimento de ferramentas

Use ferramentas de corte feitas de carboneto durável ou aço rápido revestido (HSS) com combinações de tungstênio, carbono e vanádio, que podem manter a dureza até 600 ℃.
Opte por revestimentos de ferramentas concebidos para a maquinagem de titânio, como o Nitreto de Alumínio e Titânio (TiAlN), o Nitreto de Alumínio e Titânio (AlTiN Nano) ou o Carbo-Nitreto de Titânio (TiCN). Estes revestimentos formam uma camada protetora de óxido a altas temperaturas, reduzem a transferência de calor, melhoram a lubrificação e evitam a escoriação. A fresa de topo HVTI da HLW (optimizada para fresagem de alta eficiência) e o revestimento Aplus são excelentes opções para melhorar a vida útil e o desempenho da ferramenta.

Porta-peças e estabilidade

Utilizar sistemas de fixação rígidos e seguros para minimizar a deflexão e a vibração da peça de trabalho. Evite cortes interrompidos e mantenha a ferramenta em movimento constante durante o contacto com a peça de trabalho - a permanência em furos ou a paragem perto de paredes perfiladas provoca excesso de calor e desgaste da ferramenta.
Utilize uma fresa de topo com um diâmetro de núcleo maior, minimize a saliência entre o nariz do fuso e a ponta da ferramenta e mantenha avanços e velocidades consistentes para reduzir a vibração.

Imagens de produtos de Maquinação CNC de liga de titânio

Arrefecimento e lubrificação

Utilize alta pressão, quantidades abundantes de líquido de arrefecimento com excelentes propriedades de lubrificação e arrefecimento (por exemplo, líquidos de arrefecimento à base de emulsão) para dissipar o calor, afastar as aparas e evitar BUE e escoriações. Dirija o fluxo do líquido de refrigeração diretamente para a superfície de corte para obter uma óptima 效果.

Estratégias e parâmetros de maquinagem

Adotar a fresagem ascendente (em vez da fresagem convencional) para reduzir a transferência de calor para a peça de trabalho. A fresagem em subida produz aparas que começam grossas e finas, promovendo a dissipação de calor para as aparas e garantindo um corte mais limpo.
Utilize velocidades de corte mais baixas (tipicamente 18-30 metros por minuto / 60-100 pés por minuto) em conjunto com taxas de avanço mais elevadas e maiores cargas de aparas para minimizar a acumulação de calor e o endurecimento por trabalho. Ajuste as velocidades com base no grau de titânio, nas ferramentas e na rigidez da máquina.
Para cortes de entrada e saída, arquear a ferramenta suavemente no material ou utilizar chanfros para aumentar/diminuir gradualmente a pressão, reduzindo o choque da ferramenta e a rutura do material.
Utilizar ferramentas de menor diâmetro para aumentar a exposição ao ar e ao líquido de refrigeração, permitindo que a aresta de corte arrefeça entre cortes.
Simplificar geometrias complexas no design de peças (por exemplo, raios maiores, espessura de parede uniforme, evitar bolsas profundas) para agilizar a maquinação e reduzir o esforço da ferramenta.

Considerações sobre o design da peça

Utilizar software CAD/CAM (por exemplo, em conjunto com ferramentas de simulação como ANSYS) para um design preciso das peças e geração de percursos de ferramentas. Dispositivos de fixação e gabaritos bem concebidos são essenciais para manter a estabilidade e a precisão.
Incorporar os princípios de Design for Manufacturability (DFM) - a HLW fornece feedback de DFM (orientado por IA e humano) para otimizar os designs de peças para eficiência, qualidade e rentabilidade.

Aplicações das peças de titânio maquinadas em CNC

As peças de titânio maquinadas por CNC são parte integrante de numerosas indústrias com elevada procura:

Aeroespacial: O principal consumidor de titânio, utilizado em componentes de assentos de aviões, veios, peças de turbinas, válvulas, sistemas de geração de oxigénio, estruturas de aviões e componentes de foguetões. O seu baixo peso e a sua elevada resistência ao calor permitem a eficiência do combustível e o desempenho a velocidades supersónicas.
Médico e dentária: As ligas de titânio biocompatíveis são utilizadas em substituições de articulações da anca/joelho/cotovelo/ombro, parafusos ósseos/dentários/cranianos, hastes de fixação da coluna vertebral, implantes da cabeça do fémur, pinos ortopédicos, agrafos cirúrgicos e coroas/pontes/implantes dentários.
Militar e Defesa: Aplicado na indústria aeroespacial militar, mísseis, artilharia, submarinos, veículos terrestres (para resistência balística) e equipamento naval.
Marítimo/Naval: Adequado para eixos de hélices de dessalinização de água do mar, equipamento de extração de recursos submarinos, cordame, robótica subaquática, permutadores de calor marítimos, hélices e sistemas de tubagem - tirando partido da sua resistência à corrosão e das suas propriedades de leveza.
Automotivo: Utilizado para reduzir o peso e o consumo de combustível, com aplicações em válvulas, molas de válvulas, pinos de pistões de motores, retentores e pistões de pinças de travões.
Bens de consumo: Utilizado em equipamento desportivo (tacos de golfe, quadros de bicicletas, tacos de basebol, raquetes de ténis, equipamento de campismo) e em joalharia (relógios, armações de óculos, alianças de casamento, colares) devido à sua leveza e ao seu aspeto atraente.
Processamento químico: Utilizado em permutadores de calor, sistemas de dessalinização e peças de equipamentos de produção devido à sua resistência à corrosão.

Opções de acabamento da superfície

O acabamento da superfície melhora a funcionalidade, a durabilidade e a estética das peças de titânio maquinadas por CNC:

Anodização: Uma escolha comum que aumenta a resistência à corrosão, minimiza o aumento de peso, reduz o atrito e melhora o aspeto.
Acabamentos mecânicos: Polimento, jato de areia e escovagem para reduzir a rugosidade da superfície e obter as texturas desejadas.
Revestimentos: Revestimento PVD, revestimento em pó, cromagem e eletroforese para uma melhor proteção e desempenho.
Outros tratamentos: Pintura para personalização estética. A HLW oferece até 6 opções de pós-processamento, incluindo jato de areia, revestimento em pó, maquinagem suave e polimento.

Considerações económicas

O custo mais elevado do titânio (devido a normas de qualidade rigorosas e a uma procura crescente) exige uma otimização estratégica dos custos:

Comparar os preços do titânio com alternativas (por exemplo, aço, alumínio) para aplicações não críticas.
Otimizar a vida útil da ferramenta, o tempo de maquinação e a utilização de material para reduzir o desperdício.
Acompanhar e minimizar os custos relacionados com ferramentas, líquido de refrigeração, mão de obra, energia e gestão de resíduos.
Tirar partido da longevidade e durabilidade do titânio para uma poupança de custos a longo prazo. A rede de mais de 1.600 máquinas de fresagem e torneamento da HLW garante preços competitivos e uma produção eficiente tanto para encomendas de baixo volume como para encomendas complexas.

Precauções de segurança e normas da indústria

Práticas de segurança

Utilize equipamento de proteção individual (EPI) para reduzir os riscos de projeção de detritos, líquido de refrigeração e perigos de incêndio.
Siga os procedimentos adequados de manuseamento e armazenamento de materiais de titânio, líquidos de refrigeração e aparas.
Aplicar medidas de prevenção de incêndios e planos de emergência, uma vez que o calor excessivo pode representar um risco de incêndio.
Efetuar a manutenção regular das máquinas e formar os operadores em práticas de maquinagem seguras.
Elimine as aparas de titânio, o líquido de refrigeração e os resíduos de forma adequada para garantir a segurança no local de trabalho e a conformidade ambiental.

Normas e certificações do sector

Para garantir a qualidade e a fiabilidade, a maquinação CNC de titânio obedece a normas e certificações rigorosas da indústria:

Normas ASTM: ASTM B265 (tira/folha/placa de titânio), ASTM F136 (implante cirúrgico Ti6Al4V ELI), ASTM F1472 (implante cirúrgico Ti6Al4V).
Normas ISO: ISO 5832-2 (implantes de titânio não ligado), ISO 5832-3 (implantes de liga Ti6Al4V), ISO 9001 (sistemas de gestão da qualidade), ISO 13485 (gestão da qualidade de dispositivos médicos).
Normas SAE: SAE AMS 4911 (folha/tira/placa de Ti6Al4V recozido).
Certificações: A AS9100 (gestão da qualidade da aviação/espaço/defesa) é fundamental para os componentes aeroespaciais.

Serviços de maquinagem CNC da HLW para ligas de titânio

A HLW oferece serviços abrangentes de maquinação CNC para ligas de titânio, tirando partido de equipamento topo de gama (fresagem CNC de 3 e 5 eixos, torneamento, perfuração, sondagem) e conhecimentos especializados para fornecer peças de elevada qualidade com tempos de execução rápidos (normalmente inferiores a 10 dias). As nossas capacidades incluem:

Maquinação por medida de titânio de graus 1-5, 7, 11, 12, 23 e outras ligas.
Feedback DFM (IA instantânea e humana) para otimizar os desenhos das peças em termos de capacidade de fabrico, custo e qualidade.
Uma gama de opções de acabamento de superfície para satisfazer os requisitos funcionais e estéticos.
Conformidade com as normas da indústria (ASTM, ISO, SAE) e certificações (ISO 9001, AS9100, ISO 13485) para aplicações críticas.
Preços competitivos e capacidade de produção flexível para acomodar encomendas de baixo volume e geometrias complexas com tolerâncias apertadas (±0,125mm / ±0,005″).

Para começar, carregue o seu ficheiro CAD (.STL) na plataforma da HLW para obter um orçamento imediato. Para mais informações, contacte-nos através de 18664342076 ou info@helanwangsf.com. A HLW está empenhada em ajudá-lo a enfrentar os desafios da maquinação CNC de titânio e em fornecer resultados excepcionais para os seus projectos mais exigentes.