Dominando el mecanizado CNC de titanio: Consejos, desafíos y grados de material

El titanio es un notable material de mecanizado CNC. Puede soportar altas temperaturas y es resistente a la corrosión química. Además, es ligero con varias otras cualidades, haciéndolo único y deseable para fabricantes.

Las piezas de titanio mecanizadas CNC son extremadamente duraderas, pero puede ser desafiante mecanizar titanio debido a su alta resistencia a la tracción. En este artículo, proporcionaremos gran información sobre mecanizado CNC de titanio, cómo elegir las herramientas de corte adecuadas para mecanizar titanio, y consejos útiles para asegurar mecanizado exitoso.

¿Por qué elegir titanio para piezas de mecanizado CNC?

Los beneficios clave del titanio CNC como material de fabricación incluyen su superior biocompatibilidad, alto grado de resistencia a la corrosión, y la mayor relación resistencia-peso de cualquier metal. Este metal también tiene excelente ductilidad y buena mecanizabilidad. Otras razones para elegir titanio para piezas de mecanizado CNC incluyen:

• Durabilidad: El titanio es altamente durable e ideal para fabricar piezas mecanizadas CNC sometidas a condiciones de trabajo duras o extremas.
• No magnético: Este metal no tiene características magnéticas. También tiene excelente resistencia a la oxidación, consecuentemente haciéndolo resistente a fuerzas corrosivas.
• No tóxico: El titanio es resistente a la corrosión, tiene alta biocompatibilidad y propiedades no tóxicas, ideal para uso en industria médica.

Estas cualidades del titanio le dan aplicación en diversas industrias, incluyendo aeroespacial, médica y automotriz.

Desafíos a considerar al mecanizar titanio

Aunque el titanio CNC es un gran material para muchos usos, fabricantes a menudo experimentan desafíos al mecanizarlo. Estos desafíos incluyen:

Alta reactividad química y adherencia

Al mecanizar aleaciones de titanio, algunos gases pueden reaccionar con ellas, llevando a problemas como oxidación superficial y fragilización. Puede debilitar componentes y reducir su resistencia a la corrosión.

Además, este metal tiene bajo módulo de elasticidad comparado con su alta resistencia, consecuentemente haciéndolo un material gomoso de mecanizar. Al ser gomoso, el titanio puede adherirse a la herramienta de corte CNC, resultando en fallo y daño. Además del daño a herramienta, la adherencia a menudo compromete la calidad del acabado superficial del titanio.

Acumulación de calor y fuerzas de corte

Mantener temperatura fresca al mecanizar titanio es uno de los desafíos más duros. La razón es que el titanio tiene baja conductividad térmica, lo que causa que la pieza de trabajo metálica acumule calor donde el utillaje es rápido. Esto desgasta más rápido y podría impactar negativamente la calidad de superficies cortadas si no se maneja, especialmente al mecanizar aleaciones de titanio más duras.

Usar una carga de viruta mayor y RPM más bajo en la máquina CNC es esencial para estas aleaciones de titanio más duras. Un refrigerante de alta presión también puede ayudar a que sus herramientas de corte trabajen más eficientemente y creen piezas de titanio de mayor calidad.

Además, las aleaciones de titanio necesitan altas fuerzas de corte, lo que las hace difíciles de cortar. Estas fuerzas de corte a menudo causan desgaste de herramienta, piezas defectuosas y alta vibración, impactando consecuentemente calidad del producto y acabado superficial.

Tensiones residuales y de endurecimiento

Debido a su estructura cristalina, las aleaciones de titanio no son extremadamente flexibles, lo que podría llevar a problemas durante el mecanizado. Su estructura cristalina podría aumentar la fuerza de corte durante el mecanizado, disminuyendo la facilidad de mecanizado y aumentando probabilidades de tensiones residuales. Estas tensiones pueden causar que la posición se torzca, agriete, o dure menos tiempo.

Consejos útiles para mecanizado de titanio

Muchos talleres de máquinas dudan en trabajar con este material de vanguardia debido a las dificultades del mecanizado de titanio. Sin embargo, debido a sus cualidades excepcionales, muchos fabricantes optan por usar titanio para producir piezas de alta calidad. Afortunadamente, hábiles mecanizadores CNC y fabricantes de herramientas han desarrollado consejos útiles para mecanizar titanio.

Sujetar piezas firmemente

Cualquier cosa que pueda hacer para reducir vibración hará el mecanizado de titanio más fácil porque el titanio ya es propenso a crear charla de herramienta. Para prevenir deflexión en la pieza de trabajo, sujete piezas firmemente. Además, utilice máquinas CNC de primera calidad con arreglos de utillaje extremadamente rígidos. Para minimizar deflexión de herramienta, incluso puede considerar adoptar herramientas de corte más cortas.

Elegir la herramienta de corte correcta

Debido a la creciente demanda de titanio, fabricantes de herramientas están desarrollando estrategias novedosas para aumentar la mecanizabilidad del titanio. Herramientas de corte con recubrimientos de carbonitruro de titanio (TiCN) o nitruro de titanio-aluminio resistente al calor (TiAlN) pueden durar más.

En general, mecanizadores deben elegir herramientas específicas para titanio de calidad superior e inspeccionar y reemplazar regularmente equipo desgastado. También considere usar herramienta con diámetro menor y más filos de corte para ayudar a asegurar que la tasa de remoción de pieza de trabajo se mantenga estable mientras se limita acumulación de calor.

Considerar parámetros de corte

El control de temperatura debe usarse cuidadosamente al mecanizar titanio. Aplicar refrigerante de alta presión constante dirigido a la zona de corte es una de las formas más directas de mantener fresca la pieza de trabajo y el utillaje. Las virutas no se pegarán a sus herramientas de mecanizado si las expulsa de la zona de corte.

Además, al trabajar con titanio, es crucial considerar sus tasas de avance, velocidades de husillo y cargas de viruta. Esto implica limitar el estrés colocado en herramientas y equipo y evitar permanecer demasiado tiempo en un lugar. Una estrategia de corte alternativa, como aumentar profundidad de corte axial mientras se disminuye el compromiso radial, también puede valer la pena investigar para aumentar efectividad de corte y reducir temperaturas de mecanizado.

Prevenir sobrecalentamiento usando sistema de refrigeración de alta presión

El acabado de titanio demanda un porcentaje muy pequeño del radio de la herramienta en contacto, un avance por diente muy pequeño y super-afilado. Pero, esto lleva a calor difícil de remover del área de trabajo. Si se deja, eventualmente arruinará nuestras herramientas de corte, y efectos de calor harán mantener tolerancias desafiante. Por tanto, al cortar titanio, use la mejor configuración de refrigerante posible.

Una ayuda efectiva es un sistema de refrigeración de alta presión. Un husillo también podría ser esencial, dependiendo de la aplicación. Aumentar concentración de refrigerante también puede ser beneficioso al trabajar con titanio.

Diferentes grados de titanio para mecanizado CNC

Existen diferentes grados de titanio y tipos de aleaciones de titanio, cada uno con su aplicación ideal, méritos y deméritos. Examinemos estos grados en detalle.

Grado 1 (Titanio puro con bajo contenido de oxígeno)

Entre los tipos de titanio más utilizados, este es el más blando y dúctil. El titanio Grado 1 tiene excelente mecanizabilidad, tenacidad al impacto, resistencia a la corrosión y conformabilidad. En el lado negativo, es menor en resistencia comparado con otros grados de titanio. Este grado encuentra aplicación en industrias médica, automotriz y aeroespacial.

Grado 2 (Titanio puro con contenido estándar de oxígeno)

También conocido como titanio caballo de batalla. Tiene alta resistencia a la corrosión, resistencia, conformabilidad, soldabilidad, ductilidad y baja resistencia. El titanio Grado 2 encuentra aplicación en industrias médica y aeroespacial para producir motores de aeronaves.

Grado 3 (Titanio puro con contenido medio de oxígeno)

Aunque no tan popular comercialmente como grados 1 y 2, este titanio tiene buenas propiedades mecánicas. Tiene alta resistencia a la corrosión así como mecanizabilidad y resistencia. Encuentra aplicación en industrias médica, marina y aeroespacial.

Grado 4 (Titanio puro con alto contenido de oxígeno)

Este grado de titanio tiene alta resistencia y resistencia a la corrosión. Sin embargo, no es fácil de mecanizar, a menudo requiriendo altas cantidades de refrigerante y tasa de avance. El titanio Grado 4 encuentra aplicación en vasos criogénicos, equipos CPI, componentes de fuselaje, intercambiadores de calor, etc.

Los grados 1-4 anteriores son todos titanio puro, la siguiente sección trata sobre los diferentes grados de aleación de titanio.

Grado 5 (Ti6Al4V)

La aleación de titanio Grado 5 contiene 4% vanadio y 6% aluminio. No es tan fuerte como otras aleaciones pero tiene alta resistencia a la corrosión y conformabilidad. Es ideal para generación de energía, aplicaciones offshore y marinas, y estructuras críticas de fuselaje.

Grado 6 (Ti 5 Al-2.5Sn)

Este grado de titanio tiene buena estabilidad, resistencia y soldabilidad, especialmente a altas temperaturas, lo que le da aplicación en producción de fuselajes y motores a reacción.

Grado 7 (Ti-0.15Pd)

Este grado de titanio es similar al grado 2, con la única diferencia siendo su contenido de paladio, añadido para mejorar su resistencia a la corrosión. La aleación de titanio Grado 7 tiene excelente conformabilidad y soldabilidad. Es ideal para uso en producción de equipos de procesamiento químico.

Grado 11 (Ti-0.15Pd)

El titanio Grado 11 es bastante similar al grado 7. Sin embargo, es más dúctil, con menor tolerancia para otras impurezas. Tiene menor resistencia que grado 7 y encuentra aplicación en industrias marina y de fabricación de cloratos.

Grado 12 (Ti0.3Mo0.8Ni)

El titanio Grado 12 es bastante costoso y contiene 0.8% níquel y 0.3% molibdeno, dándole excelente soldabilidad, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión. Encuentra aplicación en carcasa e intercambiadores de calor, componentes marinos y de aeronaves, etc.

Grado 23 (T6Al4V-ELI)

También conocido como intersticial extra bajo o TAV-EIL, el titanio Grado 23 comparte propiedades similares al grado 5 pero es más puro. Tiene buena tenacidad a la fractura, biocompatibilidad y pobre mecanizabilidad relativa. Encuentra uso en producción de pasadores ortopédicos, tornillos, grapas quirúrgicas y aparatos ortodónticos.

Cómo elegir las herramientas de corte correctas para mecanizar titanio

Usar cualquier herramienta de corte al mecanizar CNC con titanio suele ser mala idea. Aquí cómo elegir las herramientas de corte correctas para fresar titanio o al usar otras técnicas de mecanizado CNC.

Considerar el número de filos de la herramienta de corte

Debe aumentar el número de filos de la fresa de extremo para obtener tiempos de ciclo de producto. Para titanio, más dientes igual a menos charla. Por ejemplo, una fresa de extremo de 10 filos, aunque ajustada para cargas de viruta ideales para la mayoría de materiales, es perfecta para uso con titanio. Esto se debe principalmente a la necesidad de reducir compromisos radiales.

Evitar cortes interrumpidos y mantener filo de corte afilado

Debido a su bajo módulo de Young, el titanio es fuerte y elástico. Esto significa que para remover eficientemente y sin rozar una viruta de la superficie, necesitamos una herramienta afilada.

Evite cortes interrumpidos tanto como sea posible ya que pueden martillar virutas en sus herramientas de filo afilado, posiblemente llevando a fallo prematuro de herramienta.

Considerar recubrimiento de herramienta de corte

Los recubrimientos pueden mejorar grandemente la capacidad de su utillaje para soportar el calor producido por titanio. TiAlN (Nitruro de Titanio-Aluminio) es un recubrimiento adecuado a considerar. Imparte lubricidad para combatir bordes acumulados, adherencia y soldadura de virutas y está especialmente bien adaptado a las temperaturas experimentadas en mecanizado.

Probar fresas de alto avance al mecanizar titanio

Las fresas de alto avance son adecuadas para mantener compromiso bajo al trabajar con titanio axial y radialmente. Estas herramientas están específicamente hechas para realizar esa tarea efectivamente.

Acabados superficiales para piezas mecanizadas de titanio

Una gama de técnicas de acabado superficial, incluyendo pulido de titanio, pueden mejorar productos de titanio mecanizados CNC para razones funcionales y estéticas. Estos acabados superficiales incluyen:

• Pulido
• Anodizado
• Cromado
• Recubrimiento en polvo
• Recubrimiento PVD
• Cepillado

Aplicaciones de piezas mecanizadas de titanio

Las piezas mecanizadas de titanio son duraderas, resistentes a la corrosión y estéticas. Estas cualidades les dan aplicaciones en variedad de industrias.

Industria marina/naval

Comparado con la mayoría de metales naturales, el titanio tiene mayor resistencia a la corrosión. Esta resistencia lo hace ideal para producir ejes de hélice, robótica subacuática, equipos de aparejo, válvulas de bola, intercambiadores de calor marinos, tuberías de sistemas de incendio, bombas, revestimientos de chimeneas de escape y sistemas de refrigeración de a bordo.

Aeroespacial

Debido a sus numerosas cualidades deseables, el titanio es material buscado en la industria aeroespacial. Estas cualidades incluyen su alta relación resistencia-peso, sobresaliente resistencia a la corrosión, y capacidad en entornos extremadamente calientes. Piezas de titanio en aeroespacial incluyen componentes de asientos, componentes de turbinas, ejes, válvulas, carcasas y piezas de filtros, así como piezas para sistemas de generación de oxígeno.

Automotriz

En el sector automotriz, titanio vs aluminio es un argumento siempre vigente, con aluminio teniendo ventaja por su disponibilidad y rentabilidad. No obstante, el titanio aún se encuentra en producción de piezas automotrices. Los principales usos automotrices para titanio y sus aleaciones son producción en válvulas, resortes de válvulas, retenedores, soportes de parada de auto, tuercas de oreja colgante, pasadores de pistón de motor, resortes de suspensión, pistones de pinza de freno, balancines de motor, y bielas de motores de combustión interna.

Médico y dental

La industria médica encuentra varias aplicaciones para titanio debido a su alta resistencia a la corrosión, baja conductividad eléctrica y valores de pH fisiológicos. Piezas hechas de titanio usadas para industria médica incluyen tornillos óseos cónicos, rectos o autorroscantes, tornillos de implante dental, tornillos craneales para sistemas de fijación craneal, varillas de fijación espinal, conectores y placas, pasadores ortopédicos, etc.

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Conclusión

El titanio y sus aleaciones requieren mecanizado cuidadoso para producción óptima de piezas. Es un metal muy diferente de sus contrapartes como acero y latón. Requiere uso de herramientas correctas, experiencia y paciencia. Por esto es a menudo mejor externalizar proyectos de mecanizado CNC de titanio a profesionales como WayKen, quienes garantizan piezas de alta calidad con precisión.

Preguntas frecuentes

¿Es el titanio más difícil de mecanizar que el acero?

El titanio es más difícil de mecanizar que el acero, principalmente debido a su alto punto de fusión. También es muy maleable y a menudo se estira antes de romper, haciéndolo más difícil de mecanizar.

¿Cuál es la tasa de avance del fresado de titanio?

Al trabajar con titanio, este inserto debe cortarse a velocidad de 40 a 150 m/min con tasa de avance de 0.03 a 0.15 mm por diente.

¿Cómo aliviar tensiones del titanio tras mecanizado?

Técnicas de alivio de tensiones pueden usarse en aleaciones de titanio sin comprometer su ductilidad o resistencia. Forjados se producen calentando metal a temperaturas entre 595 y 705 °C (1100 y 1300 °F) por una a dos horas antes de enfriar al aire.