Mecanizado avanzado de titanio y superaleaciones HRSA: Optimizando mecanizabilidad, refrigerantes y utillaje

Metales como superaleaciones resistentes al calor y titanio pueden ser realmente difíciles, pero con el enfoque y la orientación adecuados en mecanizado, sujeción de pieza y selección de plaquitas, los operadores de máquina pueden superar las áreas problemáticas.

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

Si el objetivo es fabricar piezas con la más alta calidad en el menor tiempo posible, entonces tener un entendimiento del tipo de utillaje a usar es esencial. Nadie quiere quemar herramientas o causar retrasos de producción debido a metales superdensos y duros que aceleran la máquina pero cortan super lento o de forma inexacta. Tener un entendimiento de las capacidades de una máquina también es esencial, al igual que conocer las herramientas que funcionarán mejor para los materiales duros.

"La aplicación principal de las HRSA son componentes de turbina de zona caliente tanto para aeronaves como para generación de energía—piezas como álabes, blisks, soportes, válvulas y colectores, la mayoría de los cuales son complejos y con contornos", escribe Ed Sinkora para Advanced Manufacturing en el artículo "Técnicas en caliente para cortar aleaciones de alta temperatura".

"Eso significa usar fresado de 5 ejes para lograr las formas y tolerancias requeridas en un solo apriete. Y para piezas más pequeñas, se necesitan herramientas redondas de metal duro sólido, requiriendo porta-herramientas particularmente rígidos", explica Sinkora.

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

"El foco principal está en la fiabilidad del proceso ya que estos componentes estructurales son extremadamente caros", señala Walter Tools en un artículo sobre fresado de bolsillos de titanio en aeroespacial. "Al mismo tiempo, la presión de costos del mercado exige alto rendimiento de mecanizado y productividad."

Para llegar a ese nivel cómodo de "fiabilidad del proceso", hay mucho conocimiento sobre el uso de las máquinas correctas, sujeción de pieza, utillaje, trayectorias de herramienta y refrigerante, todo junto, encuentran profesionales de mecanizado y utillaje. Exploramos las principales orientaciones de utillaje y mecanizado para titanio, HRSA y aleaciones.

Conozca la calificación de mecanizabilidad del metal

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

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

"Dada una herramienta afilada y los parámetros de corte correctos, el níquel puro no es terriblemente difícil de tornear o fresar, aunque aleaciones de níquel como Ni-Span-C 902 y Monel K-500 tienen calificaciones de mecanizabilidad del 15% o menos", explica Hanson.

Y la mecanizabilidad es el punto clave. 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 correctas para crear un proceso de mecanizado repetible y oportuno. Para ese fin, ayuda a entender cómo se califica un material, por lo que usar una tabla de calificaciones de mecanizabilidad puede ayudar.

Pero nada puede reemplazar la experiencia y el conocimiento del mundo real: Hable sobre problemas de mecanizabilidad con las personas que lo hacen hoy. Únase al foro de metalmecánica [registro requerido].

En muchos casos, también ayuda usar las guías técnicas proporcionadas por proveedores de utillaje, como esta de Sandvik Coromant:

"Guía de aplicación: Superaleaciones resistentes al calor"

En esta guía, Sandvik Coromant dice sobre 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. Si el metal está recocido o envejecido es particularmente influyente en las propiedades de mecanizado subsiguientes."

Aquí un ejemplo en video de corte del difícil Monel K-500 con una herramienta mejorada diseñada para él.

Aquí un ejemplo diferente de corte de Inconel 718.

¿Quiere saber más sobre la composición de los materiales que usa? Lea "Guía de selección de herramientas de corte: Metales ferrosos vs. no ferrosos".

Vigile el calor, use refrigerantes para metalmecánica

El calor generado en una máquina CNC en la superficie del material a las velocidades y avances necesarios para hacer cortes precisos y fiables con las virutas adecuadas es difícil de subestimar. Puede ser un verdadero desafío para plaquitas y herramientas.

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

¿Cómo debe protegerse un mecanizador contra esto? Para muchas aplicaciones, use plaquitas de corte basadas en carburo que mantengan el filo tenaz y se adhieran al sustrato y ayuden a evitar deformación.

"En general, use plaquitas con un ángulo de entrada grande (plaquitas redondas) y seleccione una geometría de plaquita positiva. En torneado y fresado, se pueden usar grados cerámicos, dependiendo de la aplicación", explica Sandvik Coromant.

Y no olvide el papel de los recubrimientos y el refrigerante, aconseja Scott Etling, director de gestión de productos en Kennametal, en el artículo "El calor está en los metales difíciles de mecanizar".

"Tiene que tener el recubrimiento PVD correcto, un sustrato tenaz, la geometría correcta, la preparación de filo correcta y geometrías de alto corte", dice Etling. "El calor no va a la viruta como en el acero. El calor tiene que ir a algún lado, así que para la mayoría de aplicaciones de titanio tiene que usar una enorme cantidad de refrigerante."

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

"El refrigerante debe aplicarse en todas las operaciones excepto fresado con cerámicas. El volumen debe ser alto y bien dirigido. Refrigerante de alta presión HPC (hasta 80 bar / 1160 psi) muestra resultados positivos en términos de vida de herramienta y consistencia."

Mantenga la pieza rígida

"El mecanizado de HRSA requiere una máquina muy estable, sujeción de pieza rígida y una interfaz muy rígida entre husillo y porta-herramientas", señala Sinkora.

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

"El mecanizado de titanio y otras superaleaciones resistentes al calor generan altas fuerzas de corte no solo en dirección radial, sino también en dirección axial, lo que puede resultar en extracción de la herramienta", dice Hanson en el artículo "Lecciones en mecanizado de alto rendimiento: No olvide los porta-herramientas". "Es aún más importante usar el tipo correcto de porta-herramientas para prevenir fallos de herramienta y desecho de pieza. Puede no ser mucho, tal vez solo unas pocas milésimas de pulgada a la vez, pero es probable que sea suficiente para desechar piezas muy costosas."

Si usa porta-herramientas de sujeción lateral, puede ser hora de traer algo nuevo y mejorado. Muchos proveedores licencian la tecnología Safe-Lock patentada de Haimer. Pero no se trata solo de aumentar la vida de la herramienta reduciendo la extracción. También se trata de reducir vibrado y armónicos, y no dañar el husillo de la máquina, por lo que los mandriles hidráulicos en la fabricación de piezas HRSA son dignos de evaluación, al igual que asegurarse de que el CNC tenga HSK, Capto, KM4X u otra tecnología.

"Cuando está ejecutando máquinas herramienta tan rápido, usualmente sobre 12.000 rpm, se recomienda siempre balancear el sistema completo (es decir, porta-herramientas con la herramienta de corte)", dice Ronald West, gerente global senior de productos en Kennametal en el artículo de porta-herramientas. "Solo aumenta la vida de la herramienta y disminuye el desgaste del husillo... Es un poco más difícil con un mandril de pinza o adaptador de fresa de extremo mantener el balance debido a su diseño y hardware requerido, pero típicamente los mandriles hidráulicos y adaptadores de contracción térmica son mucho más fáciles de balancear fino para aplicaciones de alta velocidad."

Para desbastar HRSA, pruebe herramientas cerámicas; mantenga trayectorias de herramienta largas

"Los materiales de corte cerámicos ofrecen excelente productividad en operaciones de desbaste en FSM e ISM. Su aplicación difiere enormemente comparado con el carburo..." señala Sandvik Coromant en su guía de aplicación para trabajar con HRSA. La razón es que las cerámicas permiten velocidades de corte altas que ayudan a producir una "viruta altamente plastificada y cizallada".

La clave para desbastar HRSA está en las velocidades y avances para llegar a la temperatura correcta, según expertos. Se recomiendan velocidades de más de 900 m/min (3.000 pies/min superficiales).

"[E]l primer paso es establecer la velocidad correcta para elevar la temperatura en la zona de corte y crear un cierto grado de plastificación del material, haciéndolo más fácil de mecanizar", dice Jan Andersson, gerente global en Greenleaf Corp. "De lo contrario, lucha con vida de herramienta impredecible. Después de determinar la velocidad apropiada, usa la velocidad de avance para gestionar la evacuación térmica. Cuanto mayor sea la velocidad de avance, más masa en la viruta. Cuanta más masa en la viruta, más calor transporta lejos de la zona de corte. Eso controla el componente de desgaste químico."

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

"La técnica clave de programación que buscamos en Inconel y otras superaleaciones es mantener la herramienta en el corte el mayor tiempo posible", dice Dale Mickelson, gerente de producto en Methods Machine Tools en un artículo de Advanced Manufacturing. "Porque cada vez que entra y sale del corte pierde vida de herramienta. Así que creamos rutinas de cavitado que bajan en la pieza helicoidalmente. Si tiene una parte plana, corta hasta esa plana helicoidalmente y luego termina la superficie plana."

Aquí un ejemplo en video de fresado cerámico cortando un álabe de turbina.

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