Usinagem Avançada de Titânio e Ligas HRSA: Otimizando Usinabilidade, Refrigerantes e Ferramentas

Metais como superligas resistentes ao calor e titânio podem ser realmente difíceis, mas com a abordagem correta e orientação em usinagem, fixação de peça e seleção de pastilhas, operadores de máquina podem superar as áreas problemáticas.

De juntas implantáveis no corpo humano a grandes peças para instalações marítimas na indústria do petróleo a turbinas de motores na aeroespacial, superligas resistentes ao calor e outras ligas são usadas regularmente nos principais segmentos de manufatura. Mas podem ser árduas de usinar.

Se o objetivo é fabricar peças com a mais alta qualidade no menor tempo, então ter entendimento do tipo de ferramenta a usar é essencial. Ninguém quer queimar ferramentas ou causar atrasos de produção por causa de metais super densos e duros que aceleram a máquina mas cortam super devagar ou imprecisamente. Entender as capacidades de uma máquina também é essencial — assim como saber as ferramentas que funcionarão melhor para os materiais difíceis.

"A aplicação primária para HRSA são componentes de turbina de zona quente para aeronaves e geração de energia — peças como pás, blisks, suportes, válvulas e coletores, a maioria complexa e contorneada", escreve Ed Sinkora para Advanced Manufacturing no artigo "Técnicas Quentes para Cortar Ligas de Alta Temperatura".

"Isso significa usar fresamento de 5 eixos para alcançar as formas e tolerâncias requeridas em uma única fixação. E para peças menores, ferramentas redondas de metal duro sólido são necessárias, exigindo porta-ferramentas particularmente rígidos", explica Sinkora.

Muitas indústrias estão sob pressão de manufatura. O tempo para alcançar peças de qualidade realmente importa, especialmente em mercados muito competitivos.

"O foco principal é a confiabilidade do processo, já que esses componentes estruturais são extremamente caros", observa a Walter Tools em artigo sobre fresamento de bolsos em titânio na aeroespacial. "Ao mesmo tempo, a pressão de custos do mercado exige alto desempenho de usinagem e produtividade."

Para chegar a esse nível confortável de "confiabilidade do processo", há muito know-how no uso das máquinas certas, fixação de peça, ferramentas, trajetórias de ferramenta e refrigerante — tudo junto — encontram profissionais de usinagem e ferramentas. Exploramos as principais orientações de ferramentas e usinagem para titânio, HRSA e ligas.

Conheça a Classificação de Usinabilidade do Metal

Se cortando titânio, aço inoxidável ou HRSA, é provável que muitas das peças feitas tenham níquel ou cromo — e às vezes cobalto. Ligas comuns de níquel incluem Inconel, Waspaloy, Hastelloy, aços inoxidáveis incluindo 304, 316 e 17-4, e outros.

"[Níquel é] duro, resistente à corrosão e exibe excelentes propriedades de resistência e impacto", nota Kip Hanson, consultor de manufatura, no artigo "5 Dicas de Corte de Metal para Ligas de Níquel de Alta Temperatura".

"Dada uma ferramenta afiada e os parâmetros de corte certos, níquel puro não é terrivelmente difícil de torneiar ou fresar, embora ligas de níquel como Ni-Span-C 902 e Monel K-500 tenham classificações de usinabilidade de 15% ou menos", explica Hanson.

E a usinabilidade é o ponto principal. Felizmente, muitas das máquinas e ferramentas de corte atuais podem lidar com a maioria dos materiais — mas o desafio é conhecer as ferramentas e técnicas certas para criar um processo de usinagem repetível e oportuno. Para isso, ajuda entender como um material é classificado, então usar um gráfico de classificação de usinabilidade pode ajudar.

Mas nada substitui experiência e conhecimento reais: Converse sobre problemas de usinabilidade com quem está fazendo isso hoje. Participe do fórum de metalurgia [cadastro necessário].

Em muitos casos, também ajuda usar os guias técnicos fornecidos por fornecedores de ferramentas, como este da Sandvik Coromant:

"Guia de Aplicação: Superligas Resistentes ao Calor"

Neste guia, a Sandvik Coromant diz sobre HRSAs: "As propriedades físicas e comportamento de usinagem de cada [grupo de liga] variam consideravelmente, devido tanto à natureza química da liga quanto ao processamento metalúrgico preciso que recebe durante a fabricação. Se o metal é recozido ou envelhecido é particularmente influente nas propriedades de usinagem subsequentes."

Exemplo em vídeo de corte do difícil Monel K-500 com ferramenta atualizada projetada para ele.

Exemplo diferente de corte de Inconel 718.

Quer saber mais sobre a composição dos materiais que você usa? Leia "Guia de Seleção de Ferramentas de Corte: Metais Ferrosos vs. Não Ferrosos".

Controle o Calor, Use Refrigerantes para Metalurgia

O calor gerado em uma máquina CNC na superfície do material nas velocidades e avanços necessários para fazer cortes precisos e confiáveis com cavacos adequados é difícil de subestimar. Pode ser um verdadeiro desafio para pastilhas e ferramentas.

"Baixa condutividade térmica e alta dureza geram altas temperaturas durante a usinagem", nota a Sandvik Coromant no artigo "Selecionando a Pastilha de Torneamento Certa para Materiais HRSA". "A alta resistência, endurecimento por trabalho e propriedades de endurecimento por adesão criam desgaste de entalhe na profundidade máxima de corte e um ambiente extremamente abrasivo para a aresta de corte."

Como um maquinista deve se proteger contra isso? Para muitas aplicações, use pastilhas de corte à base de metal duro que mantenham a aresta dura e adiram ao substrato e ajudem a evitar deformação.

"Em geral, use pastilhas com grande ângulo de entrada (pastilhas redondas) e selecione geometria de pastilha positiva. Em torneamento e fresamento, graus cerâmicos podem ser usados, dependendo da aplicação", explica a Sandvik Coromant.

E não esqueça o papel de revestimentos e refrigerante, aconselha Scott Etling, diretor de gestão de produto na Kennametal, no artigo "O Calor Está Ligado em Metais Difíceis de Usinar".

"Você precisa ter o revestimento PVD certo, substrato duro, geometria certa, preparo de aresta certo, e geometrias de alto cisalhamento", diz Etling. "O calor não vai para o cavaco como no aço. O calor tem que ir para algum lugar, então para a maioria das aplicações de titânio você tem que usar uma quantidade enorme de refrigerante."

Para mais sobre refrigerante e HRSAs, leia o guia de aplicação da Sandvik Coromant. O fabricante de ferramentas sugere:

"Refrigerante deve ser aplicado em todas as operações exceto fresamento com cerâmicas. O volume deve ser alto e bem direcionado. Refrigerante de alta pressão HPC (até 80 bar / 1160 psi) mostra resultados positivos em termos de vida da ferramenta e consistência."

Mantenha a Peça Rígida

"Usinar HRSAs requer máquina muito estável, fixação de peça rígida e interface muito rígida entre fuso e porta-ferramentas", nota Sinkora.

Há muito mais a saber do que simplesmente o material e a ferramenta de corte. Há também os elementos necessários que ajudam a manter a peça no lugar e em uma resistência equilibrada que possa suportar os altíssimos RPMs e vazão que máquinas atuais e ferramentas inovadoras podem lidar.

"Usinagem de titânio e outras superligas resistentes ao calor geram altas forças de corte não apenas na direção radial, mas também na axial, o que pode resultar em puxada da ferramenta", diz Hanson no artigo "Lições em Usinagem de Alto Desempenho: Não Esqueça os Porta-Ferramentas". "É ainda mais importante usar o tipo certo de porta-ferramentas para prevenir falha da ferramenta e sucata de peças caras. Pode não ser muito — talvez apenas alguns milésimos de polegada por vez, mas chances são de que seja suficiente para sucatear peças muito caras."

Se usando porta-ferramentas de fixação lateral (side-lock), pode ser hora de trazer algo novo e melhorado. Muitos fornecedores licenciam a tecnologia Safe-Lock patenteada da Haimer. Mas não é apenas sobre aumentar a vida da ferramenta reduzindo a puxada. Também é sobre reduzir chatter e harmônicas — e não danificar o fuso da máquina — então mandris hidráulicos na fabricação de peças HRSA são dignos de avaliação, assim como garantir que o CNC tenha HSK, Capto, KM4X ou outra tecnologia.

"Quando você roda máquinas-ferramenta tão rápido, geralmente acima de 12.000 RPM, recomenda-se sempre balancear o sistema completo (porta-ferramentas com a ferramenta de corte)", diz Ronald West, gerente sênior global de produto na Kennametal no artigo sobre porta-ferramentas. "Apenas aumenta a vida da ferramenta e diminui o desgaste do fuso... É um pouco mais difícil com mandril de pinça ou adaptador de fresa de topo manter o balanceamento devido ao design e hardware necessário, mas tipicamente mandris hidráulicos e adaptadores de encaixe por retração são muito mais fáceis de balancear finamente para aplicações de alta velocidade."

Para Desbastar HRSAs, Tente Ferramentas Cerâmicas; Mantenha Trajetórias de Ferramenta Longas

"Materiais de corte cerâmicos oferecem excelente produtividade em operações de desbaste em FSM e ISM. Sua aplicação difere muito comparada a metal duro..." nota a Sandvik Coromant em seu guia de aplicação para trabalho com HRSA. A razão é que cerâmicas permitem altas velocidades de corte que ajudam a produzir um "cavaco altamente plastificado e cisalhado".

A chave para desbastar HRSAs está nas velocidades e avanços para chegar à temperatura certa, segundo especialistas. Velocidades acima de 900 m/min (3.000 sfm) são recomendadas.

"[O] primeiro passo é definir a velocidade certa para elevar a temperatura na zona de corte a um grau de plastificação do material, tornando-o mais fácil de usinar", diz Jan Andersson, gerente global na Greenleaf Corp. "Caso contrário, você luta com vida de ferramenta imprevisível. Após determinar a velocidade apropriada, você usa a taxa de avanço para gerenciar a evacuação térmica. Quanto maior a taxa de avanço, mais massa no cavaco. Mais massa no cavaco, mais calor você transporta para fora da zona de corte. Isso controla o componente de desgaste químico."

Outro ponto-chave: As trajetórias de ferramenta precisam permanecer o máximo tempo possível no corte para manter suas ferramentas vivas e úteis pelo maior tempo possível. Significa empregar programação adequada no seu CAM para forçar raio em cada trajetória.

"A técnica de programação chave que buscamos em Inconel e outras superligas é manter a ferramenta no corte o máximo que puder", diz Dale Mickelson, gerente de produto na Methods Machine Tools em artigo da Advanced Manufacturing. "Porque toda vez que você entra e sai do corte você perde vida de ferramenta. Então criamos rotinas de bolseamento que descem na peça helicoidalmente. Se você tem uma superfície plana, corta até essa plana helicoidalmente e depois finaliza a superfície plana."

Exemplo em vídeo de fresamento cerâmico cortando uma pá de turbina.

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