Guia Completo para Usinagem de Ligas de Titânio

Titânio e ligas usam suas propriedades únicas para serem cada vez mais amplamente utilizados nas áreas aeroespacial e biomédica. Este metal popular tem efeitos anti-ferrugem e anti-químicos, pode ser reciclado, e tem peso leve, alta resistência e excelente resistência à corrosão, o que resolve muitos problemas de engenharia. Peças de titânio duram mais e fornecem melhor desempenho e resultados do que outros metais e materiais.

O titânio é 30% mais resistente que o aço, mas quase 50% mais leve que o aço. O titânio é 60% mais pesado que o alumínio, mas sua resistência é o dobro da do alumínio. No entanto, ao usinar ligas de titânio e selecionar as ferramentas e parâmetros certos, alguns desafios devem ser considerados.

Aqui temos uma compreensão profunda da usinagem de titânio, por que é tão difícil processar titânio, e fornecemos alguns insights técnicos e dicas que podem melhorar a taxa de sucesso do processamento de titânio, também incluem seus benefícios e aplicação.

Variedades de Usinagem de Titânio

Existem muitos graus e variedades de ligas de titânio, mais de 100 tipos. Cada liga tem suas próprias propriedades únicas. 40-50 tipos estão disponíveis na indústria, e mais de dez são os mais comumente usados. Incluindo vários tipos de titânio puro industrial e ligas de titânio selecionadas, como Ti-6AL-4V, Ti-5AL-2.5Sn, TI-2AL-1.5Mn, Ti-3AL-2.5V, Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6AL-2Sn-4Zr-6Mo, e Ti-10V-2Fe-3AL e Ti-0.20Pd, T-0.3Mo-0.8N, etc. No entanto, para a maioria dos países, as duas primeiras ligas importantes (Ti-6Al-4V, Ti-5A-2.5Sn) são as mais típicas, e também são reconhecidas mundialmente.

De acordo com a classificação estrutural, as ligas de titânio são divididas nas seguintes três categorias: ligas α, ligas (α+β) e ligas β.

Liga de Titânio α

É uma liga de fase única composta por solução sólida de fase α. É fase α independentemente de temperatura normal ou temperatura prática de aplicação mais alta, com estrutura estável, maior resistência ao desgaste que titânio puro, e forte resistência à oxidação. A uma temperatura de 500°C a 600°C, ainda mantém sua resistência e resistência ao creep, mas não pode ser fortalecida por tratamento térmico, e sua resistência à temperatura ambiente não é alta.

Liga de Titânio β

É uma liga de fase única composta por solução sólida de fase β. Tem alta resistência sem tratamento térmico. Após têmpera e envelhecimento, a liga é ainda mais fortalecida. A resistência à temperatura ambiente pode atingir 1372 ~ 1666 MPa; mas a estabilidade térmica é ruim e não é adequada para uso em altas temperaturas.

Liga de Titânio α+β

É uma liga de fase dupla com boas propriedades abrangentes, boa estabilidade estrutural, boa tenacidade, plasticidade e propriedades de deformação a alta temperatura, e pode realizar bem o processamento a quente sob pressão, e pode ser temperada e envelhecida para fortalecer a liga. A resistência após tratamento térmico é cerca de 50%-100% maior que o estado recozido; a resistência a alta temperatura é alta, e pode trabalhar por muito tempo a uma temperatura de 400℃～500℃, e sua estabilidade térmica é segunda à da liga de titânio α.

As mais comumente usadas das três ligas de titânio são a liga α de titânio e a liga α + β de titânio. A liga α de titânio tem a melhor usinabilidade, seguida pela liga α + β de titânio, e a liga β de titânio é a pior.

Por Que o Titânio é Difícil de Usinar?

Fenômenos Físicos da Usinagem de Titânio

A força de corte durante o processamento de liga de titânio é apenas ligeiramente maior que a do aço da mesma dureza, mas o fenômeno físico do processamento de liga de titânio é muito mais complicado que o do processamento de aço, o que faz o processamento de liga de titânio enfrentar enormes dificuldades.

A condutividade térmica da maioria das ligas de titânio é muito baixa, apenas 1/7 da do aço e 1/16 da do alumínio. Portanto, o calor gerado no processo de corte de liga de titânio não será rapidamente transferido para a peça de trabalho ou levado embora pelos cavacos, mas será concentrado na área de corte. A temperatura gerada pode chegar a 1.000 ℃, causando desgaste rápido, trincas e geração de aresta de acumulação na aresta de corte da ferramenta, desgaste rápido das lâminas, e gerando mais calor na área de corte, encurtando ainda mais a vida da ferramenta.

A alta temperatura gerada no processo de corte também destrói a integridade superficial das peças de liga de titânio, resultando em diminuição da precisão geométrica das peças e fenômeno de endurecimento por trabalho que reduz severamente sua resistência à fadiga.

A elasticidade da liga de titânio pode ser benéfica para o desempenho das peças, mas no processo de corte, a deformação elástica da peça de trabalho é uma causa importante de vibração. A pressão de corte faz a peça de trabalho "elástica" deixar a ferramenta e rebater, de modo que o atrito entre a ferramenta e a peça de trabalho é maior que a ação de corte. O processo de atrito também gera calor, o que agrava a má condutividade térmica das ligas de titânio.

"Calor" é o "culpado" na difícil usinagem de ligas de titânio!

Como Melhorar a Usinagem de Titânio?

Com base na compreensão do mecanismo de processamento de ligas de titânio, mais experiência anterior, os principais conhecimentos tecnológicos para processar ligas de titânio são os seguintes:

Mais Refrigerante

O titânio é um isolante, então o calor gerado durante a operação de corte tende a ficar perto da ferramenta de corte. Uma maneira óbvia de lidar com o excesso de calor é adicionar refrigerante. A área de trabalho e ferramentas são jateadas com refrigerante concentrado a 10% fornecido por alta pressão para garantir que a área de contato permaneça fria e todos os cavacos que transportam calor possam ser lavados.

Refrigerante de Alta Pressão

Para aplicações de torneamento, a localização e pressão do refrigerante são críticas. Com a aplicação correta, velocidades de superfície mais altas e taxas de remoção de metal podem ser alcançadas. A única desvantagem é que o material subjacente redepositará na superfície da peça. Isso pode ser superado planejando a estratégia de corte e reduzindo a pressão do refrigerante para o acabamento final.

Alimentação Constante

O titânio é fácil de endurecer por trabalho, ou seja, ao cortar materiais, o titânio fica mais duro e, portanto, desgasta mais ferramentas. A alimentação constante garante que o material endurecido por usinagem seja mantido em um mínimo absoluto.

Aumentar a Taxa de Alimentação

Se a máquina permitir, aumentar a taxa de alimentação significa que a ferramenta gasta menos tempo em uma área específica, então não há mais tempo para acumulação de calor e endurecimento por trabalho afetarem a aresta de corte da ferramenta.

Ferramentas

A ponta de carboneto revestida PVD é a ferramenta mais adequada para cortar titânio. Revestimentos de ferramentas mais novos e avançados também podem ser fornecidos, como TiAIN (nitreto de titânio e alumínio). O titânio é um material elástico, então esta ferramenta afiada é absolutamente essencial. Ferramentas cegas limparão a superfície e causarão vibração.

Controle de Cavacos

O titânio produz cavacos longos, que podem facilmente danificar a ferramenta e marcar a superfície da peça de trabalho. Além disso, cavacos longos e finos não são ideais porque não ajudam a transferir calor para fora da área de trabalho. Portanto, ao usinar titânio, ferramentas e caminhos de ferramenta ideais são ideais para fazer cavacos menores e mais grossos.

Caminho da Ferramenta

Escolher o caminho certo da ferramenta ao usinar titânio é tão importante quanto escolher a ferramenta certa. Ao usinar titânio, é absolutamente necessário garantir que o caminho da ferramenta sempre engate a peça de trabalho. Ao cortar um sulco, o caminho da ferramenta combinado com um padrão cicloide reduzirá o tempo para qualquer sulco engatar com o material, o que ajuda a limitar a acumulação de calor. Impulsionar a ferramenta de corte para dentro e para fora da peça de trabalho ajuda a reduzir choques e movimentos bruscos que podem danificar severamente a ferramenta.

Máquina-ferramenta

Uma máquina-ferramenta robusta é essencial para a usinagem bem-sucedida de titânio. A fresadora de titânio ideal deve ser rígida, e o fuso deve ser capaz de funcionar em baixa velocidade do fuso e alto torque. Isso ajuda a absorver vibração e reduzir tagarelo durante o corte, que é um problema comum ao usinar ligas de titânio.

Vantagens e Desvantagens da Usinagem de Titânio

A liga de titânio tem as vantagens de peso leve, alta resistência, boa resistência à corrosão, etc., por isso é amplamente utilizada na indústria automobilística. A liga de titânio mais usada é em sistemas de motor de automóveis. A baixa densidade da liga de titânio pode reduzir a massa inercial de peças móveis. Ao mesmo tempo, a mola de válvula de titânio pode aumentar a vibração livre, reduzir a vibração do corpo do veículo, e aumentar a velocidade e potência do motor.

Escolher liga de titânio pode reduzir o estresse de carga de peças relacionadas e reduzir o tamanho das peças, reduzindo assim a qualidade do motor e do veículo inteiro. A redução da massa inercial das peças reduz a vibração e ruído e melhora o desempenho do motor. A aplicação de liga de titânio em outras peças pode melhorar o conforto do pessoal e a beleza do carro. Na aplicação da indústria automobilística, a liga de titânio desempenhou um papel inestimável em economia de energia e redução de consumo.

Alta resistência à corrosão, excelente biocompatibilidade e a melhor relação resistência-peso de todos os metais. Estas qualidades tornam a liga de titânio um material particularmente procurado nas indústrias aeroespacial e médica.

Devido à sua afinidade com outros elementos, o titânio não pode ser encontrado naturalmente, então processos complexos e consumidores de energia são necessários para refinar. Isso significa que o preço das ligas de titânio é muito mais alto que outros metais, seja a fundição inicial do metal ou o processamento subsequente.

Outra grande desvantagem do titânio é a dificuldade técnica no processo de usinagem.

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