Torneado CNC de piezas de aleación de titanio

Torneado CNC de piezas de aleación de titanio para automóviles

Sin embargo, El procesamiento de torneado CNC de piezas de aleación de titanio es muy difícil, haciendo que los tecnólogos mecánicos sean desalentadores. Creen que el excelente rendimiento de la aleación de titanio debilita en gran medida su capacidad de mecanización. “capacidad”, haciendo que su mecanizado CNC sea extremadamente desafiante.

Aunque esta opinión es razonable, no es completo. Este artículo analiza la estrategia de torneado de aleaciones de titanio., lo que será útil para que los tecnólogos mecánicos procesen una gama tan amplia de materiales difíciles de mecanizar y apliquen nuevas técnicas de corte..

Productor de aleaciones de titanio Bill Headland, experto senior en proyectos en RTI International Metals, señaló que aunque muchos talleres de procesamiento consideran el procesamiento de piezas de aleación de titanio como una forma desalentadora. Pero, de hecho, Las aleaciones de titanio incluyen una amplia gama de variedades., y debes saber que grado estas procesando. There are many grades of titanium alloy, some grades are extremely difficult to CNC machining, while others are relatively easy to CNC machining. Commercial pure titanium (CP grade) is a non-alloy material commonly used in the manufacture of medical parts, heat exchangers and spectacle frames. CP grades have excellent corrosion resistance and are relatively easy to process. But compared with other titanium alloys, its strength is very low, and it is sticky and soft.

After adding an alloy to pure titanium, its crystal phase (crystal structure) is changed, and the characteristics and machinability of the material are also changed. Alpha titanium alloys and quasi-alpha titanium alloys contain additives such as nickel, aluminio, and vanadium. The CNC machinability of these intermediate grade titanium alloys is quite good. Los grados de aleación de titanio α-β pueden contener más aluminio y vanadio. La principal aleación de titanio industrial Ti6Al4V es un grado de aleación de titanio α-β, que contiene aproximadamente 6% aluminio y 4% vanadio. Ti6Al4V y sus variantes representan aproximadamente 50%-70% de las aleaciones de titanio utilizadas actualmente.

Las aleaciones de titanio de grado beta con hierro y cromo añadidos son uno de los grados más difíciles de procesar.. Debido a su alta tenacidad a la fractura y excelente resistencia a la fatiga por ciclos elevados, La maquinabilidad del grado β es similar a la de las aleaciones a base de níquel Hastelloy y materiales similares.. Un ejemplo de aplicación típico es la fabricación de muelles ligeros., que se utilizan para activar la cola plegable de misiles tácticos lanzados bajo el agua.

Varias aleaciones de titanio muestran diferentes rendimientos de torneado CNC. Algunas personas creen que el tiempo necesario para procesar una pieza de Ti6Al4V suele ser tres veces mayor que el del mecanizado CNC de una pieza de acero.;
Algunas personas dicen que mecanizar con CNC una pieza de trabajo marca β Ti5553 difícil de mecanizar lleva el doble de tiempo que mecanizar una pieza de trabajo Ti6Al4V.

En el procesamiento de titanio, La característica más importante de las aleaciones de titanio es la mala conductividad térmica.. Porque es difícil que la pieza de trabajo absorba la alta temperatura generada durante el torneado y se concentre en el filo de la herramienta., El calor excesivo promueve una reacción química entre el filo y las virutas y produce un desgaste creciente..

Las aleaciones de titanio también tienen tendencia a endurecerse por trabajo., por lo que es importante eliminar el titanio mediante corte en lugar de extrusión.. Además, although titanium alloys have high strength, they also have a low modulus of elasticity. This means that compared with other materials, titanium alloys are relatively more elastic and easier to leave the cutting edge (especially when cutting with light loads). Considering these characteristics of titanium alloys comprehensively, in order to successfully realize the turning of titanium alloys, the key is to achieve the balance of cutting speed, feed rate and cutting depth.

Torneado CNC de piezas médicas de aleación de titanio.

CNC cutting speed is the primary factor affecting cutting heat generation. Stefan Gyllengahm, a turning expert at Sandvik Coromant, spent three and a half years developing tool grades for tool manufacturers. Durante este período, he conducted Ti6Al4V and TC4 cutting tests in the laboratory. The results showed that the choice of cutting speed must be very careful:
En algunos casos, cuando la velocidad de corte aumenta en 10%-15%, La vida útil de la herramienta se reducirá de 40 piezas para mecanizado CNC para 6 piezas, lo que indica que el rango de ajuste de la velocidad de corte es demasiado grande. También encontró que al girar a una velocidad de corte que no acorta la vida útil de la herramienta, si se aumenta la velocidad de avance, Se alcanza una temperatura crítica que perjudicará la vida útil de la herramienta.. Porque hay un rango límite donde hay demasiado calor..

La geometría de la herramienta juega un papel clave en el control de la forma de la viruta para disipar el calor.. El chip más ancho y delgado aumenta el área de contacto entre el chip de formación y el filo, reduciendo así la acumulación de calor en el filo. Si el chip es más delgado y genera menos calor, la velocidad de corte puede ser más rápida.

Por ejemplo, cuando se utiliza un tipo C (80°) Plaquita de diamante con un ángulo de avance estándar de -5° para mecanizado en desbaste, el espesor de la viruta y la velocidad de avance son aproximadamente iguales; El uso de una hoja cuadrada con un ángulo de avance de 45° permite cortar el metal (y cortando el calor) extenderse a lo largo del filo más largo. En teoría, la hoja redonda lleva este concepto al extremo. (pero sólo cuando la profundidad de corte es pequeña). Gyllengahm dijo que normalmente cuando la profundidad de corte es pequeña, Se puede utilizar una cuchilla redonda para obtener virutas muy finas..
Sin embargo, considerando que el ángulo de avance efectivo de una hoja redonda con un círculo inscrito de 12,7 mm disminuirá cuando la profundidad de corte sea superior a 2 mm, es mejor usar una hoja cuadrada. Porque a la misma profundidad de corte, la hoja cuadrada todavía tiene un ángulo de avance de 45°.

Bill Skoretz is the manager of the CNC machining division of Patriot Forge. The company provides various raw materials ranging from low-alloy steel and stainless steel to special grades of aluminum alloy and titanium alloy. Sometimes it also CNC machining titanium alloy parts for the company’s customers. When discussing the challenges of turning titanium alloys, he focused on reviewing the experience of coolant titanium alloy nozzles used in turning rolling mills. This is a corrosion-resistant titanium alloy grade. Due to the resilience of titanium alloy, a positive tool geometry angle must be used, and attention must be paid to the shape of the tool head. If the bottom or rake angle of the tool is too small, the tool will begin to generate tension, which will cause many problems. Por lo tanto, the best balance must be found between the positive geometric angle of the tool head and the support for the cutting edge.

Skoretz described the development status of CNC cutting tools from a historical perspective. Before the development of cemented carbide tools, high-speed steel tools were mainly used to cut steel. The emergence of cemented carbide tools makes it possible to adopt a positive geometric angle, but the machine tool must have sufficient power. The negative rake angle blade can only fold or squeeze the titanium alloy material, but it is difficult to remove it. But he also warned that if the front angle of the blade is too large, it will also cause tension on the titanium alloy material. Por lo tanto, a balance must be found between compressive stress and tensile stress. Mencionó que en el pasado había utilizado plaquitas con una superficie en forma de T de 0,1 mm o 0,13 mm en el filo.. “Principalmente por la seguridad de la hoja., No se puede utilizar un filo demasiado afilado porque no durará mucho.” También utiliza fluidos de corte a base de aceite en el procesamiento., pero utiliza principalmente sus propiedades lubricantes en lugar de sus capacidades de enfriamiento.

Otros talleres de procesamiento también tienen diferentes métodos de torneado de aleaciones de titanio., porque existen diversas soluciones para cualquier proceso de eliminación de material.

mi empresa tiene 30% del negocio se dedica al procesamiento de piezas de automóviles, muchas de las cuales son costosas piezas de titanio. Porque los mejores equipos de carreras están dispuestos a pagar más por piezas livianas y de alta resistencia para mantener sus autos con el peso mínimo permitido por las reglas.. Pero al mismo tiempo, it can still maintain control over the distribution of its entire body weight. Por ejemplo, reducing the mass of rotating parts and non-suspension parts (such as wheels and brake components) can effectively improve acceleration and handling performance. The titanium alloy parts processed by our company include parts that run between the brake caliper and the rotor.

Rayco president Greg Cox also stated that in order to successfully CNC turning titanium alloys, a balanced approach is needed. He believes that when selecting cutting parameters, it is important not to squeeze the titanium workpiece material during processing, otherwise it is easy to produce work hardening and cause great troubles in processing. The processing parameters usually used by Rayco are: cutting speed 120sfm, feed amount 0.13-0.20mm.

La profundidad del corte también es importante. Similarmente, una profundidad de corte moderada es la mejor opción. La profundidad máxima de corte utilizada por Rayco es de 0,8 a 1 mm.. Las piezas de aleación de titanio de Rayco se pueden procesar en lotes de hasta 200 piezas, pero la mayoría de ellos están entre 5-20 piezas. Cox dijo que Rayco también continúa mejorando el proceso., pero hay que tener cuidado a la hora de cortar parámetros, porque las aleaciones de titanio son bastante caras, para no provocar el desguace de piezas. El precio de las aleaciones de titanio ha aumentado rápidamente, de US$47/lb a US$68/lb el año pasado. El alto precio de la aleación de titanio también ha reducido el inventario de materiales de las piezas de trabajo..

Scott Holanda, gerente general de la R&D y rama de fabricación del fabricante de equipos de buceo Atomic Aquatics, dicho: Al procesar aparatos respiratorios subacuáticos con aleación de titanio., “Siempre tratamos de mejorar continuamente la eficiencia del procesamiento para acortar el tiempo de procesamiento., Procese más piezas de trabajo y extienda la vida útil de la herramienta.” Pero cuando intentaron mecanizar más piezas, la herramienta se rompió de repente. Por lo tanto, Holanda espera alcanzar un punto de equilibrio óptimo, pero este equilibrio no se trata sólo de números y procedimientos. Holanda tiene casi diez años de experiencia en el procesamiento de aleaciones de titanio.. También confía en observar la forma de las piezas de trabajo y herramientas y escuchar el ruido de corte para dominar este equilibrio.. Holland dijo que procesar aleaciones de titanio también puede ser relativamente sencillo. “Si utiliza herramientas afiladas y cambia las herramientas según su tiempo estimado, sólo puede procesar aleaciones de titanio dentro de un rango limitado. Puedes probarlo a tu manera, pero no necesariamente funciona. El procesamiento de aleaciones de titanio tiene ciertas reglas., si dominas estas reglas, puedes ser útil. ”

El creciente uso de aleaciones de titanio ha impulsado el desarrollo de la tecnología de corte., que se centra en girar eficazmente aleaciones de titanio. La tecnología y la gestión de procesamiento de Sandvik enfatizaron que al tornear aleaciones de titanio, El desgaste químico es el principal mecanismo de falla de la herramienta., y el corte a alta temperatura acelera el desgaste químico.

Cuando las virutas calientes rayan la cara de inclinación de la herramienta, ellos en realidad “tira” el cobalto de la hoja. Mills introdujo un método de dos pasos para reducir la temperatura de corte: El primer paso es utilizar el diseño de geometría de herramienta. (como hojas cuadradas o redondas con un ángulo de avance de 45°) para reducir el espesor de la viruta para reducir la temperatura de corte y reducir el desgaste del cráter causado por esto. Finalmente, Se puede utilizar una velocidad de avance más alta y se puede extender la vida útil de la herramienta.; El segundo paso es utilizar un refrigerante de alta presión con una forma especial.. Este refrigerante no sólo tiene una alta presión, pero también presenta un patrón de chorro laminar muy preciso, que puede formar un “cuña de agua” entre las virutas y la cara inclinada de la hoja para sostener las virutas. Minimizar el contacto con la cara del rastrillo., para evitar el desgaste por cráter de la herramienta.

El sistema de refrigeración Jetbreak de Sandvik tiene una presión de 1000-3000 psi, una boquilla con un diámetro de 1.27 mm y un refrigerante de emulsión estándar. No sólo tiene un efecto refrescante, pero también puede generar elevación para sostener las virutas, Lo que puede reducir la fricción y la temperatura entre las virutas y la cara del rastrillo.. El uso de este sistema puede aumentar la velocidad de corte al 50%.

Mills describió el efecto de combinar las dos estrategias de enfriamiento anteriores.: Uso de plaquitas CNMG con ángulo de avance de -5° para optimizar los parámetros de corte (Velocidad cortante: 40m/min, tasa de avance: 0.3mm/vuelta) al mecanizar aleaciones de titanio, la vida útil de la herramienta es aproximadamente 20 minutos; Al mecanizar con plaquitas redondas o cuadradas con un ángulo de avance de 45°, La velocidad de corte se puede aumentar a 50-60 m/min., La velocidad de avance se puede aumentar a 0,4 mm/rev., y se puede mantener una vida útil similar de la herramienta. Dado que se puede eliminar más material de la pieza al mismo tiempo, La productividad se puede duplicar utilizando sólo la hoja cuadrada.. Si se vuelve a utilizar el sistema de refrigeración de alta presión, la velocidad de corte se puede aumentar en otro 50%.

El refrigerante a alta presión debe transportarse a través del canal dentro del husillo de la máquina. (no el tubo externo). El refrigerante fluye a través de un conector especial en el portaherramientas de cambio rápido Sandvik Capto., y Capto controla su presión. Al instalar la máquina herramienta., Puedes instalar fácilmente este sistema de refrigeración de alta presión..

Para talleres que suelen procesar piezas de aleación de titanio. (piezas aeroespaciales grandes especialmente caras), el 50% El aumento de la productividad merece la pena invertir en portaherramientas especiales y máquinas herramienta equipadas con sistemas de refrigeración de alta presión.. Este sistema de enfriamiento de alta presión tiene una ventaja única al tornear aleaciones de titanio., porque no producirá desgaste creciente como el mecanizado CNC de otros materiales de piezas de trabajo.