Maximizar la velocidad de mecanizado de titanio: técnicas probadas y mejores prácticas

Publicado el 19 de octubre de 2020 | Por Candy, WayKen Rapid Manufacturing

El titanio ha sido durante mucho tiempo pasado por alto debido a sus propiedades. Sin embargo, avances recientes en metalurgia y tecnología de fabricación han dado una nueva visión. Ahora, el titanio es codiciado por su excelente relación peso-resistencia (3 veces mejor que el acero), resistencia a la corrosión, compatibilidad con tejidos humanos y rendimiento sobresaliente a altas temperaturas. Las piezas de titanio aeroespaciales son especialmente populares por ser ligeras y fuertes. Sin embargo, hay muchos problemas con el mecanizado de titanio.

Las aleaciones de titanio más comunes

Hay varios elementos que se añaden al titanio para aumentar sus capacidades. El titanio sufre una transformación alotrópica a más de 800 °C. Los elementos que disminuyen la temperatura de uso se llaman estabilizadores beta y los que la aumentan, estabilizadores alfa. Según el contenido de estabilizadores, las aleaciones se dividen en 4 grupos:

1. Titanio sin alear: básicamente titanio puro. Mejor resistencia a la corrosión pero baja resistencia.
2. Aleaciones alfa: mejor resistencia a la fluencia, usadas para alto rendimiento a temperatura.
3. Aleaciones alfa-beta: grupo más extendido por sus grandes propiedades. Estabilizadores alfa añaden resistencia al calor, beta añaden resistencia. La más común Ti-6Al-4V representa casi el 50% del mercado.
4. Aleaciones beta: más duras que los grupos anteriores, pero mayor densidad.

7 razones por las que el titanio es difícil de mecanizar

Resumen de 7 puntos por los que el titanio es un desafío:

1. Retiene alta resistencia incluso a altas temperaturas y su resistencia a deformación plástica persiste a velocidades de corte. Fuerzas de corte mucho mayores que en acero.
2. Cuando se forma la viruta, es muy fina y el área de contacto entre viruta y herramienta es tres veces menor que en acero. La punta de la herramienta soporta casi toda la fuerza.
3. Las aleaciones de titanio tienen alto coeficiente de fricción con materiales de herramienta, aumentando temperatura y fuerzas.
4. A más de 500 °C, el titanio reacciona químicamente con la mayoría de materiales de herramienta. Tiende a auto-ignición si la acumulación de calor es alta, por lo que el refrigerante es obligatorio.
5. Debido al bajo área de contacto y delgadez de virutas, todo el calor va a la herramienta, reduciendo drásticamente su vida. Solo refrigerantes a alta presión pueden seguir el ritmo.
6. Módulo de elasticidad muy bajo, lo que provoca vibraciones, charla de herramienta y deflexión.
7. A bajas velocidades, el material puede adherirse al filo, muy malo para acabado superficial.

Como ve, hay problemas significativos. Sin embargo, ingenieros de fabricación han ideado estrategias para aumentar velocidades de mecanizado.

Aumentar velocidades de mecanizado de titanio con herramientas de corte

La elección de herramienta es el primer paso para un proceso CNC de aluminio y titanio exitoso. Lo principal es el material. Varias aleaciones duras han demostrado ser buenas para cortar titanio. Para mecanizar titanio, las herramientas deben tener:

• Dureza a altas temperaturas.
• Alta resistencia a la charla.
• Altas propiedades de fatiga (generación de viruta es cíclica).
• Neutralidad química con titanio caliente.
• Alta resistencia.
• Buena conductividad térmica para compensar la baja del titanio.

El rango de material más adecuado es aleaciones WC/Co. Otra opción: aceros de alta velocidad por su resistencia al astillado. Herramientas de diamante también han mostrado buen rendimiento contra desgaste de titanio.

Técnicas de mecanizado de titanio a alta velocidad

Otra forma viable es aplicar estrategias especiales de mecanizado de titanio. Nuestros servicios son expertos en elegir parámetros de corte correctos para minimizar tiempo. Aparte de optimización de parámetros, hay estrategias no convencionales que aumentan mucho las velocidades.

Herramientas con repisa (Ledge Tools)

Desarrolladas por General Electric. Usan herramientas con una delgada repisa saliente. Solo esta repisa corta el titanio. Como la viruta es muy fina, no hay diferencia, pero la repisa se desgasta más lento y es más fácil afilar. El flanco se gasta rápido y luego se mantiene constante durante el desgaste del resto, que ocurre más lento con flancos constantes.

Insertos rotativos (Rotary Inserts)

Usados para torneado de titanio. Imposibles antes por falta de precisión en diseño de máquinas. Ahora la tecnología lo permite. El principio: el inserto tiene forma redonda y gira alrededor del fijador mientras la herramienta corta. Así, la transferencia de calor es más rápida y la herramienta no se calienta tanto, permitiendo aumentar velocidades.

Eliminación de metal asistida por ultrasonidos

Añadir vibración ultrasónica a la herramienta facilita la formación de viruta. La viruta de titanio tiene mala elasticidad, empeorada por endurecimiento por deformación cuando el filo empieza a cortar. Ondas ultrasónicas fomentan fractura de viruta en lugar de deformación, influyendo positivamente en vida de herramienta, acabado, características de herramienta, previene acumulación de material en filo y permite aumentar velocidades.

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