Usinagem CNC de Titânio para Estruturas Aeroespaciais

As ligas de titânio apresentam desafios significativos para a usinagem CNC em aplicações estruturais na indústria aeroespacial devido a propriedades intrínsecas como baixa condutividade térmica e alta reatividade química. Este trabalho detalha uma metodologia estruturada para a otimização da usinagem CNC do Ti-6Al-4V, com foco na mitigação do desgaste da ferramenta e na obtenção de tolerâncias geométricas rigorosas. Os ensaios de usinagem utilizaram centros CNC de múltiplos eixos equipados com sistemas avançados de monitoramento do estado da ferramenta (TCM, do inglês Tool Condition Monitoring). Os parâmetros de corte (velocidade, avanço, profundidade de corte) e as estratégias de ferramental foram sistematicamente variados. Os resultados demonstram que a implementação de resfriamento criogênico pulsado reduziu o desgaste médio da face em 42% em comparação com o refrigerante convencional, enquanto estratégias adaptativas de fresagem trócoide diminuíram o tempo de usinagem em 18% e melhoraram a rugosidade superficial (Ra) em 15% para componentes de paredes finas. A análise dos dados confirma uma forte correlação entre a energia específica de corte e o desgaste progressivo da ferramenta. Esses resultados oferecem estratégias aplicáveis para melhorar a eficiência na usinagem e a qualidade das peças em estruturas críticas aeroespaciais. As limitações incluem o foco no Ti-6Al-4V; a aplicabilidade a outras ligas de titânio requer validação adicional.

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A busca incessante por desempenho e eficiência de combustível no projeto aeroespacial moderno exige o uso extensivo de ligas de titânio, principalmente Ti-6Al-4V. Sua excepcional resistência específica e resistência à corrosão as tornam ideais para componentes estruturais críticos, como trem de pouso, suportes do motor e seções da fuselagem [1]. No entanto, essas mesmas propriedades – notadamente baixa condutividade térmica, alta resistência em temperaturas elevadas e forte afinidade química com os materiais das ferramentas – tornam o titânio notoriamente difícil de usinar de forma eficiente e precisa [2]. Os desafios se manifestam como desgaste rápido das ferramentas, baixa integridade superficial, possíveis distorções na peça (especialmente em seções finas) e custos elevados de produção [3]. Consequentemente, otimizar os processos de usinagem CNC para estruturas aeroespaciais de titânio permanece um objetivo industrial crítico. Este trabalho apresenta uma metodologia prática e resultados experimentais focados em superar esses desafios por meio da otimização dos parâmetros e estratégias inovadoras de refrigeração, visando estabelecer protocolos de produção confiáveis e economicamente viáveis.

2 Métodos
2.1 Projeto Experimental & Material da Peça
O material principal investigado foi chapa de Ti-6Al-4V recozido (Grau 5), conforme as especificações AMS 4911L. As operações principais de usinagem estudadas foram fresamento periférico (desbaste e acabamento) e cavitação, representativas das características estruturais comuns na indústria aeroespacial. As peças foram fixadas com segurança utilizando morsas de vácuo personalizadas e fixação mecânica estratégica para minimizar vibrações e deflexões, especialmente críticas para geometrias de paredes finas.

2.2 Equipamento de Usinagem & Ferramentas
Os experimentos foram realizados em um centro de usinagem CNC de 5 eixos DMG MORI DMU 80 eVo (eixo principal de 40 kW, máximo de 18.000 rpm). As ferramentas de corte incluíram:

• Usinagem preliminar: Fresas integrais de carboneto (Ø10 mm, 4 canais, revestidas com ZrN) com geometria de hélice/passo variável.

• Acabamento: Fresas integrais de carboneto (Ø8 mm & Ø6 mm, 4 canais, revestidas com AlTiN).
  O estado da ferramenta (desgaste de flanco VBmax) foi monitorado em processo utilizando uma combinação de análise de consumo de potência do eixo principal (monitoramento integrado Siemens Sinumerik 840D sl) e medições periódicas offline por meio de um microscópio digital Keyence VHX-7000. A rugosidade superficial (Ra, Rz) foi medida utilizando um perfilômetro Mitutoyo Surftest SJ-410. A precisão dimensional foi verificada com uma máquina de medir coordenadas Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Variáveis do Processo & Aquisição de Dados
As variáveis independentes testadas de forma sistemática incluíram:

• Velocidade de Corte (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Avanço por Dente (fz): 0,04 mm/dente - 0,12 mm/dente

• Profundidade Axial de Corte (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (acabamento), 5 mm - 15 mm (desbaste)

• Profundidade Radial de Corte (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (estratégias adaptativas)

• Estratégia de Resfriamento: Emulsão convencional (6%), Nitrogênio líquido criogênico pulsado (LN2)

• Estratégia de Trajetória da Ferramenta: Caminhos paralelos convencionais, Fresagem trocoidal adaptativa.
  As variáveis dependentes medidas foram o desgaste de flanco (VBmax), a rugosidade superficial (Ra, Rz), a energia específica de corte (SCE), o tempo de usinagem por característica e o desvio dimensional em características críticas (espessura da parede, posição do furo). O registro de dados ocorreu diretamente a partir do sistema de controle CNC (potência, torque, tempo) e por meio de metrologia offline. Foram realizadas no mínimo três repetições por condição.

3 Resultados e Análise
3.1 Desempenho do Desgaste da Ferramenta
O progresso do desgaste da face foi significativamente influenciado pela estratégia de refrigeração e pela velocidade de corte. A Figura 1 ilustra a tendência dominante: o uso de arrefecimento criogénico pulsado com LN2 reduziu drasticamente o desgaste da ferramenta em todas as velocidades de corte testadas em comparação com a emulsão convencional. Na velocidade média (60 m/min), o VBmax médio após a usinagem de um volume padronizado de material foi reduzido em 42% utilizando arrefecimento criogénico. Velocidades elevadas de corte (80 m/min) com arrefecimento convencional levaram a falhas catastróficas da ferramenta ( lascamento) em curto período, enquanto o arrefecimento criogénico permitiu a continuidade da usinagem, apesar de um desgaste acelerado em comparação com as velocidades mais baixas. A análise dos sinais de potência do eixo principal mostrou forte correlação com as medições offline de VBmax, confirmando a eficácia do sistema TCM para previsão de desgaste (R² = 0,91).

3.2 Qualidade Superficial e Precisão Geométrica
A rugosidade superficial (Ra) foi principalmente afetada pela taxa de avanço e estratégia de ferramenta nas operações de acabamento. A redução do avanço por dente (fz) de 0,08 mm/dente para 0,05 mm/dente melhorou a média de Ra em aproximadamente 25%. Crucialmente, a implementação do fresamento trochoidal adaptativo para o acabamento de paredes finas (ap = 8 mm, espessura da parede 1,5 mm) resultou em uma melhoria de 15% em Ra (média de 0,32 µm contra 0,38 µm com caminhos paralelos) e reduziu a distorção da peça em 30%, conforme medido pelo desvio da CMM em relação à espessura nominal da parede (Figura 2). Essa estratégia também reduziu o tempo de usinagem para essas características em 18%, mantendo taxas médias de remoção de material mais altas por meio do controle constante do engajamento da ferramenta.

3.3 Produtividade e Consumo de Energia
Energia Específica de Corte (SCE), um indicador fundamental da eficiência do processo, diminuiu com o aumento da taxa de remoção de material (MRR), como esperado. No entanto, o uso de arrefecimento criogênico resultou em um valor de SCE 10-15% mais alto em comparação ao arrefecimento convencional (flood cooling) em MRR equivalentes, atribuído ao custo energético da entrega do LN2. Apesar disso, a significativa extensão da vida útil da ferramenta e a redução no tempo não produtivo (trocas de ferramentas, ajustes) resultaram em um aumento líquido na produtividade de aproximadamente 20% por peça usinada, no caso de peças estruturais complexas, compensando o aumento na SCE.

4 Discussão
A redução acentuada observada no desgaste das ferramentas com o uso de refrigeração criogênica pulsada a LN2 está alinhada com mecanismos estabelecidos: o LN2 suprime efetivamente as altas temperaturas na zona de corte inerentes à usinagem do titânio, reduzindo assim os mecanismos de desgaste por difusão e adesão predominantes no uso de ferramentas de carbeto [4, 5]. A aplicação pulsada provavelmente melhora a penetração na interface ferramenta- cavaco, ao mesmo tempo que minimiza o consumo excessivo. O sucesso do fresamento adaptativo trochoidal, especialmente para paredes finas, decorre da manutenção de um engajamento radial próximo ao constante e da redução das forças de corte, minimizando a deflexão da ferramenta e a vibração da peça [6]. Isso se traduz diretamente em maior precisão geométrica e acabamento superficial.

Uma limitação fundamental deste estudo é seu foco em Ti-6Al-4V. Embora seja a liga predominante, outras ligas de titânio (por exemplo, Ti-5553, ligas próximas ao beta) exibem características de usinabilidade diferentes; os resultados aqui obtidos requerem validação para esses materiais. Além disso, as implicações econômicas e ambientais da ampla adoção de LN2 criogênico exigem uma avaliação cuidadosa do ciclo de vida, equilibrando as economias com ferramentas e os ganhos de produtividade frente aos custos/pegada de carbono da produção e entrega do LN2.

Para a prática de fabricação aeroespacial, esses resultados apoiam fortemente:

1. Implementação da Usinagem Criogênica Pulsada: Para operações críticas e de longa duração de fresamento de titânio, especialmente desbaste e semi-acabamento, visando maximizar a vida útil da ferramenta e a confiabilidade do processo.

2. Adoção de Trajetórias Adaptativas de Ferramenta: Especificamente estratégias trócolides para o acabamento de estruturas aeroespaciais de paredes finas, a fim de melhorar a integridade superficial, a precisão dimensional e a produtividade.

3. Integração de Monitoramento do Estado da Ferramenta: A utilização de sinais de potência do eixo principal oferece um método prático e integrado à máquina para prever o desgaste da ferramenta e agendar alterações proativamente, reduzindo o risco de refugo.

5 Conclusão
Este estudo demonstra estratégias eficazes para aprimorar a usinagem CNC de Ti-6Al-4V para aplicações estruturais aeroespaciais exigentes. O resfriamento pulsado com nitrogênio líquido criogênico reduz significativamente o desgaste rápido da ferramenta, uma limitação principal, permitindo velocidades de corte mais altas e sustentáveis e maior vida útil da ferramenta. As trajetórias de fresagem adaptativas trocoidais melhoram o acabamento superficial, a precisão dimensional (especialmente para paredes finas) e a produtividade geral em comparação com trajetórias paralelas convencionais. A correlação entre o monitoramento da potência do eixo principal e o desgaste da ferramenta oferece um método viável de controle em processo. Esses resultados fornecem soluções diretamente aplicáveis para fabricantes aeroespaciais que buscam melhorar a eficiência, a confiabilidade e a qualidade da produção de componentes de titânio. Trabalhos futuros devem investigar a otimização dos parâmetros de entrega criogênica (design do bico, temporização do pulso), estender a metodologia para outras ligas de titânio de alto desempenho e realizar análises abrangentes de impacto tecnológico-econômico e ambiental da implementação da usinagem criogênica.