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Processos de Fabricação - Usinagem de Titânio e suas Ligas

Usinagem de Titânio e suas Ligas

A maioria das ligas de titânio, assim como o titânio comercialmente puro, caracteriza-se por seu alto custo de usinagem. Consideráveis quantidades de material podem ser removidas de formas brutas como placas, barras, produtos forjados e etc. Em alguns casos, 50 a 90 % do material do produto primário é perdido sob a forma de aparas de processo (excesso de material que obrigatoriamente deve ser “cortado” e portanto é perdido como sucata gerada pelo próprio processo de fabricação). E a complexidade do formato de alguns produtos acabados dificulta o uso de processos do tipo “near net shape”, que minimizariam a geração de aparas. Sob esse ponto de vista é estritamente necessária a eficiência nos processos de usinagem de titânio e suas ligas, de modo a minimizar os custos decorrentes das perdas de material através da geração de aparas de processo.

Historicamente já foi comprovado que titânio e suas ligas são materiais de difícil usinagem. Entretanto, devido ao aumento do uso do titânio como material de engenharia, aumento o conhecimento dos fabricantes sobre as características dos processos de usinagem do titânio e suas ligas. Sendo assim, os fabricantes já sabem que, com procedimentos adequados de processo, já é possível usinar esse tipo de material de modo praticamente tão fácil como usinar o aço inoxidável austenítico 316, por exemplo.

A maior parte do histórico de dificuldades na usinagem de titânio e suas ligas vem da indústria aeronáutica, porém é fato comprovado que os diversos tipos de titânio comercialmente puro (ASTM B, graus 1, 2, 3 e 4), com resistência à tração entre 241 e 552 MPa são muito mais fáceis de usinar do que as ligas comerciais de aviação tais como a liga Ti-6Al-4V.

O aumento dos teores de elementos de liga e da dureza leva a um aumento na dificuldade de usinar titânio e suas ligas, e isso também ocorre com outros tipos de metais. Quando a dureza atinge 38 HRC (350 Brinell), espera-se uma maior dificuldade em operações como perfuração, rosqueamento, fresagem e escareamento/mandrilagem. Contudo, em geral, se as características peculiares das ligas de titânio forem levadas em consideração, a usinagem desse tipo de material não deve apresentar problemas indevidos e insuperáveis.

A usinagem das ligas de titânio torna necessárias forças de corte pouco superiores às necessárias para a usinagem do aço, mas essas ligas possuem características metalúrgicas que as tornam mais difíceis de serem usinadas do que aços com dureza equivalente. Entre as ligas de titânio, as de usinagem mais difícil são as ligas beta. Quando as condições de usinagem são adequadamente selecionadas para uma determinada liga com certa composição química e seqüência de processamento, pode se obter velocidades de produção razoáveis com níveis de custos aceitáveis.

Devem ser tomados cuidados para evitar perdas de integridade de superfícies, especialmente durante o polimento/esmerilhamento, pois de outro modo podem ocorrer perdas dramáticas de propriedades mecânicas, especialmente de resistência à fadiga. Até o momento técnicas como usinagem em alta velocidade não melhoraram a usinabilidade do titânio. Parece ser muito necessário o desenvolvimento de novos materiais para aplicação em ferramentas de usinagem.

Características que Influenciam a Usinabilidade

O fato de que o titânio é algumas vezes considerado um material de difícil usinagem por métodos tradicionais pode ser explicado parcialmente por suas propriedades físicas, químicas e mecânicas, como por exemplo:

• Titânio é um mau condutor de calor, ou seja, o calor gerado pelo corte não é dissipado rapidamente. Por isso, a maior parte do calor se concentra na cunha da ferramenta de corte e na superfície de corte na peça.
• O titânio apresenta uma forte tendência a reagir quimicamente com o material da ferramenta nas temperaturas de usinagem. Isso causa descamação, soldagem e adesão, assim como rápida deterioração da ferramenta de corte.
• O titânio possui um módulo de elasticidade relativamente baixo, apresentando, portanto, um efeito mola mais acentuado do que os aços. A peça de titânio apresenta a tendência de se afastar da ferramenta de corte, a não ser que se mantenha cortes pesados ou que um recosto adequado seja utilizado. Partes mais finas tendem a se dobrar sob as pressões utilizadas na ferramenta, causando vibrações, fricção com a ferramenta e problemas relacionados com tolerâncias dimensionais. A rigidez do sistema completo é, conseqüentemente, muito importante, assim como o uso de ferramentas afiadas e com formato apropriado.
• As propriedades de fadiga do titânio são fortemente influenciadas por uma tendência ao dano nas superfícies, se determinadas técnicas de usinagem forem utilizadas. Deve ser tomado cuidado para evitar perda de integridade na superfície, especialmente durante polimento/esmerilhamento.
• As características de encruamento do titânio são tais que as ligas de titânio não apresentam acúmulo de material nas bordas. Por causa da falta der uma massa de material estacionária (acúmulo de material nas bordas) adiante da ferramenta de corte, forma-se um elevado ângulo de cisalhamento, o que leva à formação de uma apara fina em contato com uma pequena área na face da ferramenta de corte e resulta em altas cargas de suporte por área unitária. A elevada força de suporte, combinada com o atrito desenvolvido pela apara à medida em que esta se move sobre a área de suporte, resulta num grande aumento no calor gerado numa região muito localizada da ferramenta de corte. Além disso, a combinação de elevadas força de suporte com calor intenso produz crateras na região próxima à aresta de corte, resultando em rápida quebra da ferramenta.

Como dito anteriormente, deve ser evitada a perda de integridade da superfície e se não for dada a devida atenção a este aspecto, pode ocorrer uma dramática perda de propriedades de fadiga. Mesmo práticas adequadas de polimento/esmerilhamento, utilizando parâmetros convencionais (velocidade de corte, de alimentação e etc) podem resultar numa resistência à fadiga consideravelmente mais baixa devido a danos na superfície. As propriedades de fadiga básicas de muitas ligas de titânio dependem de uma tensão superficial compressiva favorável durante induzida pela ação da ferramenta durante a usinagem. A remoção eletromecânica de material, produzindo uma superfície isenta de tensões, pode causar uma certa perda de propriedades de resistência à fadiga.

Usinagem Tradicional do Titânio e suas Ligas

O termo usinagem possui ampla aplicação e se refere a todos os tipos de corte e remoção de materiais metálicos, incluindo torneamento, broqueamento, fresagem, perfuração, escareamento, rosqueamento, serramento, corte com gás, mandrilagem, aplainamento, fresamento de engrenagem, perfilamento, retificação de acabamento e esmerilhamento.

A tecnologia de usinagem do titânio e suas ligas basicamente é muito semelhante à de outros tipos de ligas metálicas. Para que a usinagem seja eficiente é necessário conhecer os parâmetros relativos à ferramenta de corte usada numa determinada operação. Entre estes parâmetros importantes estão: 1 – Vida útil da ferramenta; 2 – Forças atuantes; 3 – Requisitos de potência; 4 – Ferramentas e fluidos de corte.

1 - Vida útil da ferramenta – Esses dados foram gerados empiricamente para uma grande variedade de ligas de titânio. De um modo geral a vida útil da ferramenta é muito curta para altas velocidades de corte e aumenta acentuadamente à medida em que se reduz a velocidade de corte. As ligas de titânio são muito sensíveis à velocidade de alimentação da peça no corte. Os parâmetros ótimos de usinagem geralmente são determinados com o uso de programas de computador, mas também podem ser determinados empiricamente. Em geral, na usinagem do titânio se produz um ângulo de cisalhamento elevado entre a peça e a apara, resultando numa apara fina que escoa em alta velocidade sobre a face da ferramenta. Devido à baixa condutividade térmica do titânio, as aparas tendem a se soldar à aresta da ferramenta de corte. Este processo acelera o desgaste e a falha da ferramenta de corte. Entretanto, no caso de máquinas de usinagem com alto custo fixo, a produtividade pode ser mais importante do que a vida útil da ferramenta. Nesse caso, pode ser mais importante fazer a ferramenta trabalhar com a velocidade máxima possível e providenciar sua substituição quando a eficiência de corte cair sensivelmente, mantendo o tempo de produção mais longo possível. Entretanto, quando a usinagem do titânio é feita em condições nas quais o custo de produção não é o aspecto mais importante, não faz sentido levar à destruição prematura da ferramenta. No caso extremo, a troca prematura e repetida de ferramenta pode resultar num baixo número de peças produzidas por ferramenta, e, além disso, quanto menor o desgaste da ferramenta, menor o custo de retrabalho. Numa situação ideal, a ferramenta deve operar em corte no tempo mais longo possível sem risco à sua integridade ou à da peça que está sendo usinada, principalmente no que se refere à superfície da peça. O único modo seguro de determinar o tempo de vida útil consiste em inspecionar a qualidade superficial e dimensional das peças após um certo tempo de uso daquela ferramenta, de modo a se poder determinar estatisticamente o número de peças que podem ser produzidas antes da falha da ferramenta.

2 – Requisitos de Forças e Potência – As forças de usinagem podem ser determinadas com um dinamômetro para ferramentas, o qual mede três componentes: a) tangencial ou de corte; b) empuxo ou de separação; c) alimentação ou força axial. A força de corte é importante, já que, quando multiplicada pela velocidade de corte, determina os requisitos de potência necessários à usinagem. Por outro lado, o empuxo, ou força de separação, determina a precisão da qualidade dimensional e superficial produzida numa peça usinada. De um modo geral, os requisitos de potência são obtidos pela soma da potência de corte (força multiplicada pela velocidade) com a potência ociosa (tara).

3 – Ferramentas de corte – O uso de ferramentas novas geralmente resulta em maiores velocidades de corte. Anteriormente já ocorreu grande desenvolvimento de materiais usados em ferramentas de corte, como, por exemplo, carbetos revestidos, cerâmicos, cermets (cerâmicos-metais), nitreto de boro cúbico, nitreto de silício e diamante policristalino, os quais foram muito utilizados na usinagem de ferros fundidos, aços e ligas de alumínio e de resistência a altas temperaturas.
Entretanto, infelizmente nenhum desses materiais melhorou a taxa de remoção das ligas de titânio. Os materiais ainda mais usados na usinagem de titânio são os carbetos do tipo C-2 e os aços rápidos do tipo M7, M42 e M33, tanto para fresagem de acabamento quanto para perfuração e rosqueamento de ligas de titânio.

4 – Fluidos de corte – Estes fluidos de corte usados na usinagem das ligas de titânio merecem atenção especial porque, em certas circunstâncias, íons cloretos podem causar corrosão sob tensão, devendo ser, portanto, evitados, ou pelo menos minimizados, na composição química dos fluidos de corte usados na usinagem das ligas de titânio, principalmente quando a liga será soldada ou submetida a elevadas temperatura de serviço. Outro cuidado deve ser a lavagem cuidadosa da peça usinada, a qual pode ser mais complicada no caso de peças montadas. Instituições aeroespaciais são muito rigorosas e não permitem a presença de cloreto ativo na composição dos fluidos de corte usados em ligas de titânio.

Um programa para definir o efeito de fluidos cloretados e sulfurados nas propriedades mecânicas da liga Ti-6Al-4V (recozida para dureza 34 HRC), inclui avaliações de resistência à fadiga de alto ciclo em temperaturas elevadas e na temperatura ambiente, propagação de trinca de fadiga em duas freqüências cíclicas, tenacidade à fratura e exposição a corrosão sob tensão e fragilização superficial. Esse tipo de avaliação foi realizada e não indicou nenhum tipo de degradação de propriedades mecânicas nessa liga, mesmo em comparação com a mesma liga usinada com fluidos neutros.

Mesmo assim o uso de fluidos contendo cloretos (ou outros tipos de compostos halogenados) deve ser evitado na usinagem de ligas de titânio, pois não é possível inferir o comportamento das demais ligas de titânio a partir do comportamento desta liga específica. Além disso, estão disponíveis no mercado excelentes fluidos de corte que não contêm halogênios. Outro aspecto a ser considerado é o fato comprovado de que compostos halogenados em fluidos de corte em geral não são favoráveis a uma longa vida útil das ferramentas. Para algumas ligas e tipos de operação de usinagem, até mesmo a usinagem a seco é preferível. Geralmente fluidos contendo cloretos podem favorecer algumas operações como perfuração, rosqueamento e escareamento.

Técnicas Especiais de Usinagem para Aumento da Produtividade

A incapacidade de melhorar o desempenho de ferramentas de corte através do desenvolvimento de novos materiais para esse tipo de aplicação (revestimentos em particular), assim como o pequeno aumento de produtividade proporcionado por diferentes combinações de velocidades, taxas de alimentação e profundidades, têm frustrado o desenvolvimento da usinagem das ligas de titânio, até certo ponto. Entretanto, há alguns tipos de desenvolvimentos, como os de ferramentas de torneamento e de fresagem especialmente projetadas e o da técnica de fresagem com acabamento especial.

Ferramentas fabricadas com materiais cerâmicos têm sido usadas com sucesso na usinagem de ligas resistentes a altas temperaturas utilizadas na fabricação de componentes de motores a jato, e com velocidades superiores às obtidas com materiais convencionais. A velocidades da ordem de 183 a 213 m/min a vida útil da ferramenta é muito curta (3 a 5 minutos), mas é possível acabar um corte nessas velocidades e então indicar a ponte de corte para o próximo passe. Esta mesma técnica pode ser usada na usinagem do titânio com carbetos C-2. Contudo, me necessário levantar dados para determinar as velocidades nas quais uma vida útil confiável e reproduzível da ordem de 3 a 5 min pode ser obtida, e determinar se essas condições melhoram a usinagem do titânio sob o ponto de vista econômico.

Uma das técnicas práticas para aumentar a produtividade é determinar o custo ótimo na usinagem de um determinado componente de titânio para uma operação de usinagem específica. Se estiverem disponíveis dados específicos que relacionem a vida útil da ferramenta com a velocidade de corte, com a taxa de alimentação e com a profundidade de corte para uma dada operação e ferramenta, será possível calcular o custo total e o tempo de usinagem em função dos parâmetros de corte. Computadores são usados para realizar esses cálculos, possibilitando determinar os custos mínimos e as taxas de produção ótimas para operações de usinagem específicas.

Usinagem Não Tradicional

O projeto de componentes de ligas de titânio freqüentemente requer o uso dos chamados métodos não tradicionais de usinagem. Entre estes podem ser citados a usinagem eletromecânica (UEM), fresagem química (FQ) e a tocha de feixe de laser (TFL), que são provavelmente os mais usados, embora não haja na literatura dados disponíveis.

Os métodos químicos e eletroquímicos têm sido cada vez mais utilizados devido a algumas características favoráveis ao uso industrial. São particularmente úteis para a rápida remoção do metal da superfície de componentes conformados ou perfilados, de seções muito finas e de grandes áreas até profundidades pequenas. Estes processos não apresentam efeitos negativos nas propriedades mecânicas do metal usinado, como, por exemplo, a resistência à fadiga. Também não proporcionam a entrada de hidrogênio no metal, que poderia causar fragilização ou perda de dutilidade.

O processo UEM consiste na remoção elétrica de material condutivo por dissolução anódica, num eletrólito que flui rapidamente e que separa a peça de um eletrodo com formato definido. Este processo pode gerar contornos complexos e produzir superfícies de alta qualidade, isentas de distorções. No caso das ligas de titânio em geral se utiliza como eletrólito o cloreto de sódio em concentrações da ordem de 100 g/l.

O processo FQ consiste na dissolução controlada do material da peça por contato com um forte reagente químico. A peça a ser usinada é submetida a uma limpeza e coberta com uma máscara resistente à reação química. As regiões nas quais se deseja a reação química são expostas quando o material é mergulhado no reagente químico, que então somente dissolve estas regiões.

No processo TFL o material é removido por um feixe de laser focalizado e um fluxo de gás na peça. A elevada energia do laser causa fusão localizada, e o fluxo de gás (oxigênio) promove uma reação exotérmica que remove o metal líquido do corte. Ligas de titânio são cortadas em altas velocidades através do uso de uma onda de laser CO2 contínua, usando o oxigênio como gás removedor.

Integridade de Superfícies

As superfícies de ligas de titânio podem ser facilmente danificadas em operações normais de usinagem. Em geral esses danos surgem sob a forma de microtrincas, acúmulos de material em arestas, deformação plástica, zonas termicamente afetadas e tensões residuais. Em condições de serviço esses danos podem causar deterioração da resistência à fadiga e à corrosão sob tensão. Pequenas variações de parâmetros de esmerilhamento não causam efeitos nocivos consideráveis, porém práticas convencionais abusivas modificam sensivelmente a camada superficial do componente de liga de titânio que está sendo usinado.

Neste caso a dureza poderia ser afetada, mas não a resistência à fadiga de alto ciclo, ao contrário do esmerilhamento abusivo, que pode levar a resistência à fadiga tornar-se até 4 vezes menor. Contudo, no caso de outros tipos de processo de usinagem, como o torneamento e a fresagem de acabamento, a queda de resistência à fadiga não é tão acentuada, devido à existência de tensões residuais superficiais compressivas. Caso não existam essas tensões favoráveis, pode ser feito jateamento com partículas de areia ou vidro nessas superfícies de modo a criar esse tipo de tensão benéfica [2].

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