Corte de titanio y metales HRSA:maquinabilidad, refrigerantes y más

Los metales como las superaleaciones resistentes al calor y el titanio pueden ser realmente difíciles, pero con el enfoque y la orientación correctos en el mecanizado, sujeción de herramientas y selección de plaquitas, los operadores de máquinas pueden superar las áreas problemáticas.

Desde articulaciones implantables en el cuerpo humano hasta piezas grandes para instalaciones marinas en la industria petrolera y turbinas de motores en la industria aeroespacial, las superaleaciones resistentes al calor y otras aleaciones se utilizan regularmente en los principales segmentos de fabricación. Pero pueden ser difíciles de mecanizar.

Si el objetivo es fabricar piezas con la máxima calidad en el menor tiempo posible, es fundamental comprender el tipo de herramientas que se van a utilizar. Nadie quiere quemar las herramientas o causar retrasos en la producción debido a los metales duros y súper densos que aceleran la máquina pero cortan muy lento o de manera imprecisa. También es esencial comprender las capacidades de una máquina, al igual que conocer las herramientas que funcionarán mejor para los materiales duros.

“La aplicación principal de los HRSA son los componentes de turbinas de zona caliente para aeronaves y generación de energía:piezas como palas, blisks, soportes, válvulas y colectores, la mayoría de los cuales son complejos y contorneados”, escribe Ed Sinkora para Advanced Manufacturing en el artículo “ Técnicas calientes para cortar aleaciones de alta temperatura".

“Eso significa usar fresado de 5 ejes para lograr las formas y tolerancias requeridas en una sola sujeción. Y para piezas más pequeñas, se necesitan herramientas redondas de metal duro integral, lo que requiere portaherramientas especialmente rígidos”, explica Sinkora.

Muchas industrias están bajo presión de fabricación. El tiempo que lleva lograr piezas de calidad es realmente importante, especialmente en mercados muy competitivos.

“El enfoque principal está en la confiabilidad del proceso, ya que estos componentes estructurales son extremadamente costosos”, señala Walter Tools en un artículo sobre el fresado de cavidades de titanio en la industria aeroespacial. “Al mismo tiempo, la presión de costos del mercado exige un alto rendimiento de mecanizado y productividad”.

Para llegar a ese cómodo nivel de "confiabilidad del proceso", hay mucho conocimiento sobre el uso de las máquinas, la sujeción de piezas, las herramientas, las trayectorias de herramientas y el refrigerante correctos, todo junto, para encontrar profesionales de mecanizado y herramientas. Exploramos la mejor guía de mecanizado y herramientas para titanio, HRSA y aleaciones.

Conozca la calificación de maquinabilidad del metal

Si se corta titanio, acero inoxidable o HRSA, es probable que muchas de las piezas que se fabrican tengan níquel o cromo, ya veces cobalto. Las aleaciones de níquel comunes incluyen Inconel, Waspaloy, Hastelloy, aceros inoxidables, incluidos 304, 316 y 17-4, y otros.

"[El níquel es] fuerte, resistente a la corrosión y exhibe excelentes propiedades de resistencia e impacto", señala Kip Hanson, consultor de fabricación, en el artículo "5 puntas de corte de metal para aleaciones de alta temperatura a base de níquel".

“Con una herramienta afilada y los parámetros de corte correctos, el níquel puro no es muy difícil de tornear o fresar, aunque las aleaciones de níquel como Ni-Span-C 902 y Monel K-500 tienen índices de maquinabilidad del 15 % o menos”, explica Hanson. .

Y la maquinabilidad es el punto central. Afortunadamente, muchas de las máquinas y herramientas de corte actuales pueden manejar la mayoría de los materiales, pero el desafío es conocer las herramientas y técnicas adecuadas para crear un proceso de mecanizado repetible y oportuno. Con ese fin, es útil comprender cómo se califica un material, por lo que puede ser útil usar una tabla de calificación de maquinabilidad.

Pero nada puede reemplazar la experiencia y el conocimiento del mundo real:hable sobre los problemas de maquinabilidad con las personas que lo están haciendo hoy. Únase al foro de metalurgia [es necesario registrarse].

En muchos casos, también ayuda utilizar las guías técnicas proporcionadas por los proveedores de herramientas, como esta de Sandvik Coromant:

“Guía de aplicación:superaleaciones resistentes al calor”

En esta guía, Sandvik Coromant dice lo siguiente sobre las HRSA:“Las propiedades físicas y el comportamiento de mecanizado de cada [grupo de aleación] varían considerablemente, debido tanto a la naturaleza química de la aleación como al procesamiento metalúrgico preciso que recibe durante la fabricación. El hecho de que el metal esté recocido o envejecido influye especialmente en las propiedades de mecanizado posteriores”.

Aquí hay un ejemplo en video de cómo cortar el difícil Monel K-500 con una herramienta mejorada diseñada para ello.

Aquí hay un ejemplo diferente de cortar Inconel 718.

¿Quiere saber más sobre la composición de los materiales que utiliza? Leer “ Guía de selección de herramientas de corte:metales ferrosos y no ferrosos .”

Cuidado con el calor, use refrigerantes para metalurgia

Es difícil subestimar el calor generado en una máquina CNC en la superficie del material a las velocidades y avances necesarios para realizar cortes precisos y confiables con las virutas adecuadas. Puede ser un verdadero desafío para las plaquitas y las herramientas.

“La baja conductividad térmica y la alta dureza generan altas temperaturas durante el mecanizado”, señala Sandvik Coromant en el artículo “Selección de la plaquita de torneado a la derecha para materiales HRSA”. "Las propiedades de alta resistencia, endurecimiento por trabajo y endurecimiento por adhesión crean desgaste en entalla a la máxima profundidad de corte y un entorno extremadamente abrasivo para el filo de corte".

¿Cómo debe protegerse un maquinista contra esto? Para muchas aplicaciones, utilice plaquitas de corte a base de carburo que mantienen el borde resistente y se adhieren al sustrato y ayudan a evitar la deformación.

“En general, utilice plaquitas con un gran ángulo de posición (plaquitas redondas) y seleccione una geometría de plaquita positiva. En torneado y fresado, se pueden utilizar calidades cerámicas, según la aplicación”, explica Sandvik Coromant.

Y no olvide el papel de los recubrimientos y el refrigerante, aconseja Scott Etling, director de administración de productos de Kennametal, en el artículo "The Heat Is On Difficult-to-Machine Metals".

“Debe tener el recubrimiento de PVD correcto, un sustrato resistente, la geometría correcta, la preparación correcta del borde y geometrías de alto cizallamiento”, dice Etling. “El calor no entra en el chip como lo hace en el acero. El calor tiene que ir a alguna parte, por lo que para la mayoría de las aplicaciones de titanio hay que usar una enorme cantidad de refrigerante”.

Para obtener más información sobre refrigerantes y HRSA, lea la guía de aplicación de Sandvik Coromant. El fabricante de herramientas sugiere lo siguiente:

“Se debe aplicar refrigerante en todas las operaciones excepto en el fresado con cerámica. El volumen debe ser alto y bien dirigido. El refrigerante HPC de alta presión (hasta 1160 psi) muestra resultados positivos en términos de consistencia y vida útil de la herramienta”.

Mantenga la pieza de trabajo rígida

"El mecanizado de HRSA requiere una máquina muy estable, sujeción rígida y una interfaz muy rígida entre el husillo y el portaherramientas", señala Sinkora.

Hay mucho más que saber que simplemente el material y la herramienta de corte. También existen los elementos necesarios que ayudan a mantener una pieza de trabajo en su lugar y con una fuerza equilibrada que puede soportar las muy altas rpm y el rendimiento que pueden manejar las máquinas actuales y las innovadoras herramientas de corte.

“El mecanizado de titanio y otras superaleaciones resistentes al calor genera altas fuerzas de corte no solo en la dirección radial, sino también en la dirección axial, lo que puede provocar que la herramienta se salga”, dice Hanson en el artículo “Lecciones de mecanizado de alto rendimiento:No se olvide de los portaherramientas”. “Es aún más importante utilizar el tipo correcto de portaherramientas para evitar fallas en las herramientas y desechos de piezas. Puede que no sea mucho, tal vez solo unas pocas milésimas de pulgada a la vez, pero es muy probable que sea suficiente para desechar algunas piezas muy caras".

Si usa soportes de bloqueo lateral, puede ser hora de incorporar algo nuevo y mejorado. Muchos proveedores obtienen licencias de la tecnología Safe-Lock patentada de Haimer. Pero no se trata solo de aumentar la vida útil de la herramienta al reducir la extracción. También se trata de reducir la vibración y los armónicos, y no dañar el husillo de una máquina, por lo que vale la pena evaluar los mandriles hidráulicos en la fabricación de piezas HRSA, al igual que asegurarse de que el CNC tenga HSK, Capto, KM4X u otra tecnología.

“Cuando trabaja con máquinas herramienta a esa velocidad, por lo general a más de 12 000 rpm, se recomienda equilibrar siempre el sistema completo (es decir, el portaherramientas con la herramienta de corte)”, dice Ronald West, gerente global sénior de productos de Kennametal en el portaherramientas. artículo. “Simplemente aumenta la vida útil de la herramienta y reduce el desgaste del husillo... Es un poco más difícil mantener el equilibrio con un mandril de boquilla o un adaptador de fresa de extremo debido a su diseño y al hardware requerido, pero normalmente los mandriles hidráulicos y los adaptadores de ajuste por contracción son mucho más fáciles de equilibrar con precisión para aplicaciones de alta velocidad.”

Para desbastar HRSA, pruebe con herramientas de cerámica; Mantener trayectorias largas

“Los materiales de corte cerámicos ofrecen una excelente productividad en operaciones de desbaste en FSM e ISM. Su aplicación difiere mucho en comparación con el metal duro…”, señala Sandvik Coromant en su guía de aplicación para trabajar con HRSA. La razón de esto es que la cerámica permite altas velocidades de corte que ayudan a producir una "viruta altamente plastificada y cortada".

Según los expertos, la clave para el desbaste de HRSA está en las velocidades y los avances para que pueda alcanzar la temperatura adecuada. Se recomiendan velocidades de más de 3000 pies de superficie por minuto.

“[E]l primer paso es establecer la velocidad correcta para elevar la temperatura en la zona de corte para crear un cierto grado de plastificación del material, lo que facilita el mecanizado”, dice Jan Andersson, gerente global de Greenleaf Corp. “De lo contrario, , lucha con una vida útil impredecible de la herramienta. Después de determinar la velocidad adecuada, utiliza la velocidad de alimentación para gestionar la evacuación térmica. Cuanto mayor sea la velocidad de alimentación, más masa en el chip. Cuanta más masa haya en la viruta, más calor transportará fuera de la zona de corte. Eso controla el componente de desgaste químico”.

Otro punto clave:las trayectorias deben permanecer el mayor tiempo posible en el corte para mantener sus herramientas vivas y útiles el mayor tiempo posible. Significa emplear la programación adecuada en su CAM para forzar el radio en cada trayectoria.

“La técnica de programación clave que buscamos en Inconel y otras superaleaciones es mantener la herramienta en el corte tanto tiempo como sea posible”, dice Dale Mickelson, gerente de producto de Methods Machine Tools en un artículo de Fabricación avanzada. “Porque cada vez que ingresa y sale del corte, pierde la vida útil de la herramienta. Así que creamos rutinas de embolsado que se mueven hacia abajo en la pieza de forma helicoidal. Si tiene un plano, corte hacia abajo helicoidalmente y luego termine la superficie plana".

Aquí hay un ejemplo de video de fresado de cerámica cortando una pala de turbina.

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