Las propiedades especiales de las aleaciones de titanio lo hacen cada vez más utilizado. Alta relación resistencia / peso, excelente tenacidad y excelente resistencia a la corrosión. La aleación de titanio se puede utilizar para fabricar implantes médicos humanos, piezas de carreras, piezas de barcos, piezas de aviones, dispositivos de respiración bajo el agua, cabezas de palos de golf y armaduras militares.

Sin embargo, el procesamiento de torneado CNC de piezas de aleación de titanio es muy difícil, lo que hace que los técnicos mecánicos sean abrumadores. Creen que el excelente rendimiento de la aleación de titanio debilita en gran medida su "capacidad" mecanizable, lo que hace que su mecanizado CNC sea extremadamente desafiante.

Aunque esta opinión es razonable, no es exhaustiva. Este artículo analiza la estrategia de torneado de las aleaciones de titanio, que será útil para que los tecnólogos mecánicos procesen una gama tan amplia de materiales difíciles de mecanizar y apliquen nuevas tecnologías de corte.
El productor de aleaciones de titanio Bill Headland, experto senior en proyectos de 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 debe saber qué grado está procesando. Hay muchos grados de aleación de titanio, algunos grados son extremadamente difíciles de mecanizar con CNC, mientras que otros son relativamente fáciles de mecanizar con CNC. El titanio puro comercial (grado CP) es un material no aleado comúnmente utilizado en la fabricación de piezas médicas, intercambiadores de calor y monturas de gafas. Los grados CP tienen una excelente resistencia a la corrosión y son relativamente fáciles de procesar. Pero en comparación con otras aleaciones de titanio, su resistencia es muy baja y es pegajosa y blanda.

Después de agregar una aleación al titanio puro, se cambia su fase cristalina (estructura cristalina) y también se cambian las características y maquinabilidad del material. Las aleaciones alfa titanio y las aleaciones cuasi alfa titanio contienen aditivos como níquel, aluminio y vanadio. La maquinabilidad CNC de estas aleaciones de titanio de grado intermedio es bastante buena. Los grados de aleación de titanio α-β pueden contener más aluminio y vanadio. La aleación de titanio industrial convencional Ti6Al4V es un grado de aleación de titanio α-β, que contiene aproximadamente un 6% de aluminio y un 4% de vanadio. Ti6Al4V y sus variantes representan alrededor del 50% -70% de las aleaciones de titanio que se utilizan actualmente.

Las aleaciones de titanio de grado beta con hierro y cromo agregado son uno de los grados más difíciles de procesar. Debido a su alta tenacidad a la fractura y excelente resistencia a la fatiga de alto ciclo, 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 resortes 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 trabajo Ti6Al4V suele ser tres veces mayor que el del mecanizado CNC de una pieza de acero;
Algunas personas dicen que el mecanizado CNC de una pieza de trabajo de la marca β Ti5553 difícil de mecanizar lleva el doble de tiempo que el mecanizado de una pieza de trabajo Ti6Al4V.

Al tornear el procesamiento de titanio, la característica más importante de las aleaciones de titanio es la mala conductividad térmica. Dado que la alta temperatura generada durante el torneado es difícil de absorber por la pieza de trabajo y se concentra 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 tienden a endurecerse, por lo que es importante eliminar el titanio mediante cizallamiento en lugar de extrusión. Además, aunque las aleaciones de titanio tienen una alta resistencia, también tienen un bajo módulo de elasticidad. Esto significa que, en comparación con otros materiales, las aleaciones de titanio son relativamente más elásticas y más fáciles de dejar el filo (especialmente durante el corte con cargas ligeras). Teniendo en cuenta de manera integral estas características de las aleaciones de titanio, para realizar con éxito el torneado de las aleaciones de titanio, la clave es lograr el equilibrio entre la velocidad de corte, la velocidad de avance y la profundidad de corte.

La velocidad de corte CNC es el factor principal que afecta la generación de calor de corte. Stefan Gyllengahm, experto en torneado de Sandvik Coromant, pasó tres años y medio desarrollando calidades de herramientas para fabricantes de herramientas. Durante este período, realizó pruebas de corte de Ti6Al4V y TC4 en el laboratorio.Los resultados mostraron que la elección de la velocidad de corte debe ser muy cuidadosa: En algunos casos, cuando la velocidad de corte aumenta en un 10% -15%, la vida de la herramienta se reducirá de 40 piezas para el mecanizado CNC a 6 piezas, lo que indica que el rango de ajuste de la velocidad de corte es demasiado grande. También descubrió que cuando se gira a una velocidad de corte que no acortar la vida de la herramienta, si se aumenta la velocidad de avance, que alcanzará una temperatura crítica que menoscaba la vida 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. La viruta más ancha y delgada agranda el área de contacto entre la viruta que se está formando y el filo, reduciendo así la acumulación de calor en el filo. Si la viruta es más delgada y genera menos calor, la velocidad de corte puede ser más rápida.


Por ejemplo, cuando se utiliza una plaquita de diamante tipo C (80 °) con un ángulo de avance estándar de -5 ° para el mecanizado en desbaste, el grosor 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 que el metal cortado (y el calor de corte) se extienda a lo largo del borde de corte más largo. Teóricamente, la hoja redonda lleva este concepto al extremo (pero solo cuando la profundidad de corte es pequeña). Gyllengahm dijo que, por lo general, cuando la profundidad de corte es pequeña, se puede usar una hoja redonda para obtener virutas muy delgadas. Sin embargo, teniendo en cuenta 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 utilizar una hoja cuadrada. Porque a la misma profundidad de corte, la hoja cuadrada todavía tiene un ángulo de avance de 45 °.

Bill Skoretz es el gerente de la división de mecanizado CNC de Patriot Forge. La empresa proporciona diversas materias primas que van desde acero de baja aleación y acero inoxidable hasta grados especiales de aleación de aluminio y aleación de titanio. A veces también mecaniza piezas de aleación de titanio CNC para los clientes de la empresa. Al discutir los desafíos del torneado de aleaciones de titanio, se centró en revisar la experiencia de las boquillas de aleación de titanio para refrigerante utilizadas en tornos de laminación. Este es un grado de aleación de titanio resistente a la corrosión. Debido a la elasticidad de la aleación de titanio, se debe utilizar un ángulo de geometría de herramienta positiva y se debe prestar atención a la forma del cabezal de la herramienta. Si el ángulo inferior o de inclinación de la herramienta es demasiado pequeño, la herramienta comenzará a generar tensión, lo que provocará muchos problemas. Por tanto, se debe encontrar el mejor equilibrio entre el ángulo geométrico positivo del cabezal de la herramienta y el soporte del filo.

Skoretz describió el estado de desarrollo de las herramientas de corte CNC desde una perspectiva histórica. Antes del desarrollo de las herramientas de carburo cementado, las herramientas de acero de alta velocidad se utilizaban principalmente para cortar acero. La aparición de herramientas de carburo cementado permite adoptar un ángulo geométrico positivo, pero la máquina herramienta debe tener suficiente potencia. La hoja de ángulo de inclinación negativo solo puede doblar o apretar el material de aleación de titanio, pero es difícil quitarlo. Pero también advirtió que si el ángulo frontal de la hoja es demasiado grande, también provocará tensión en el material de aleación de titanio. Por lo tanto, se debe encontrar un equilibrio entre la tensión de compresión y la tensión de tracción. Mencionó que había usado insertos con una tierra en forma de T de 0,1 mm o 0,13 mm en el filo de corte en el pasado. "Principalmente por la seguridad de la hoja, no se puede usar 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 varias soluciones para cualquier proceso de remoción de material.

El 30% del negocio de nuestra empresa es el procesamiento de piezas de automóviles de carreras, muchas de las cuales son caras piezas de aleación 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, aún puede mantener el control sobre la distribución de todo su peso corporal. Por ejemplo, la reducción de la masa de piezas giratorias y piezas que no son de suspensión (como ruedas y componentes de freno) puede mejorar eficazmente la aceleración y el rendimiento de manejo. Las piezas de aleación de titanio procesadas por nuestra empresa incluyen piezas que van entre la pinza de freno y el rotor.

El presidente de Rayco, Greg Cox, también afirmó que para tornear con CNC con éxito las aleaciones de titanio, se necesita un enfoque equilibrado. Se cree que al seleccionar parámetros de corte, es importante no apretar el material de la pieza de titanio durante el proceso, de lo contrario es fácil de trabajar y producir endurecimiento causa grandes problemas en el procesamiento. Los parámetros de procesamiento que suele utilizar Rayco son: velocidad de corte 120sfm, cantidad de alimentación 0,13-0,20 mm.

La profundidad de corte también es importante. Del mismo modo, una profundidad de corte moderada es la mejor opción. La profundidad máxima de corte utilizada por Rayco es de 0,8-1 mm. Las piezas de aleación de titanio de Rayco se pueden procesar en lotes de hasta 200 piezas, pero la mayoría de ellas tienen entre 5 y 20 piezas. Cox dijo que Rayco también continúa mejorando el proceso, pero debe tener cuidado en lo que respecta a los parámetros de corte, porque las aleaciones de titanio son bastante caras, para no provocar el desecho de las 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 para piezas de trabajo.

Scott Holland, gerente general de la rama de I + D y fabricación del fabricante de equipos de buceo Atomic Aquatics, dijo: Cuando procesamos aparatos de respiración subacuática con aleación de titanio, "siempre tratamos de mejorar continuamente la eficiencia del procesamiento para acortar el tiempo de procesamiento, procesar más piezas de trabajo y extender 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 es solo números y procedimientos. Holland tiene casi diez años de experiencia en el procesamiento de aleaciones de titanio y también se basa 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 simple. "Si usa herramientas afiladas y cambia las herramientas de acuerdo con su tiempo estimado, solo puede procesar aleaciones de titanio dentro de un rango limitado. Puede intentarlo a su manera, pero no necesariamente funciona. El procesamiento de aleaciones de titanio tiene ciertas reglas, si las domina, puede ser útil. "

El uso cada vez mayor de aleaciones de titanio ha promovido el desarrollo de la tecnología de corte, que se centra en el torneado eficaz de las aleaciones de titanio. La gestión y la tecnología 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 inclinada de la herramienta, en realidad "tiran" del cobalto de la hoja. Mills introdujo un método de dos pasos para reducir la temperatura de corte: El primer paso es utilizar un diseño de geometría de la herramienta (como hojas cuadradas o redondas con un ángulo de avance de 45 °) para reducir el grosor 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 solo tiene alta presión, sino que también presenta un patrón de chorro laminar muy preciso, que puede formar una "cuña de agua" entre las virutas y la cara de inclinación de la hoja para sostener las virutas. Minimice el contacto con la cara de desprendimiento para evitar que la herramienta se desgaste en forma de cráter.

El sistema de enfriamiento 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 solo tiene un efecto de enfriamiento, sino que también puede generar elevación para sujetar las virutas, lo que puede reducir la fricción y la temperatura entre las virutas y la cara de inclinación. El uso de este sistema puede aumentar la velocidad de corte en un 50%.

Mills describió el efecto de combinar las dos estrategias de enfriamiento anteriores: Al utilizar plaquitas CNMG con un ángulo de avance de -5 ° para optimizar los parámetros de corte (velocidad de corte: 40 m / min, velocidad de avance: 0,3 mm / rev) al mecanizar aleaciones de titanio, la vida útil de la herramienta es de 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. Dado que se puede eliminar más material de la pieza de trabajo al mismo tiempo, la productividad se puede duplicar utilizando solo 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, puede instalar fácilmente este sistema de enfriamiento de alta presión.

Para los talleres que a menudo procesan piezas de aleación de titanio (especialmente piezas aeroespaciales grandes y caras), el aumento del 50% en la productividad vale 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, ya que no producirá un desgaste creciente como el mecanizado CNC de otros materiales de la pieza de trabajo.