Las aleaciones de titanio y las aleaciones de aluminio se parecen en lo siguiente: Ambos tipos de metales se utilizan para fabricar componentes estructurales de aeronaves, y en ambos casos, el componente podría requerir el fresado del 90 por ciento del material antes de que la pieza esté completa.
Probablemente muchos talleres desearían que los metales tuvieran más en común que esto. Los proveedores de la industria aeronáutica que se sienten cómodos mecanizando aluminio se están encontrando con que están mecanizando mucho más titanio, porque los nuevos diseños de aviones hacen un mayor uso de este último metal.
John Palmer, director del segmento aeroespacial global del fabricante de herramientas de corte Stellram, dice que muchos de estos talleres tienen realmente más capacidad de mecanizado de titanio de lo que creen. Muchas técnicas valiosas para el mecanizado de titanio no son difíciles de emplear, pero pocos talleres utilizan todas las técnicas disponibles para fresar este metal de forma productiva. Asesora a los fabricantes sobre los métodos para mejorar el rendimiento del fresado en diversas aleaciones aeroespaciales, incluidas las de titanio. Dice que el titanio no tiene por qué ser difícil, sino que hay que tener en cuenta todo el proceso de mecanizado, ya que cualquier elemento podría impedir la eficacia del proceso global.
La estabilidad es la clave, dice. Cuando la herramienta toca la pieza, cierra un círculo. La herramienta, el portaherramientas, el husillo, la columna, las vías, la mesa, la fijación y la pieza de trabajo forman parte de ese círculo y de la estabilidad necesaria. Otras consideraciones importantes son la presión y el volumen de refrigerante, así como el método de suministro de refrigerante, además de la metodología y la aplicación, en las que se centra este artículo. Para aprovechar más el potencial de aquellos procesos que sí tienen la posibilidad de mecanizar titanio de forma productiva, el Sr. Palmer suele compartir consejos que incluyen todos los siguientes:
- Mantener el compromiso radial bajo
- Aumentar la cantidad de canales
- Haga una viruta gruesa y fina
- Arco en
- Terminar en un chaflán
- Apoyarse en el alivio secundario
- Alterar la profundidad axial
- Limitar la profundidad axial alrededor de los rasgos delgados
- Elija una herramienta mucho más pequeña que la cajera
- Sigue el ejemplo del acero para herramientas
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- Consejos para el roscado de aleaciones de titanio
- Métodos no tradicionales para hacer agujeros pequeños
Mantener el compromiso radial bajo
Uno de los retos cruciales del titanio es la disipación del calor. En este metal, relativamente poco del calor generado durante la operación de mecanizado se expulsa con la viruta. En comparación con el mecanizado de otros metales, un mayor porcentaje del calor en un proceso de mecanizado de titanio pasa a la herramienta. Debido a este efecto, la elección del compromiso radial dicta la elección de la velocidad superficial en este metal.
El gráfico de la figura 1 lo muestra. El ranurado completo, es decir, el engranaje de 180 grados, exige una velocidad superficial relativamente baja. Pero al reducir el engranaje radial se reduce el tiempo en que el filo de corte genera calor, y permite más tiempo para que el filo de corte se enfríe antes de entrar en el material en la siguiente rotación. Así, a medida que se reduce el compromiso radial, la velocidad de la superficie puede aumentar manteniendo la temperatura en el punto de corte. Para el acabado, un proceso de fresado que consiste en un arco de contacto muy pequeño con un filo de corte afilado y bruñido y una velocidad superficial alta y un avance mínimo por diente puede realizar resultados excepcionales.
Aumentar la cantidad de canales
Las fresas de uso común tienen cuatro o seis canales. En el titanio, esto podría ser demasiado poco. El número más efectivo de flautas podría ser de diez o más (ver Figura 2).
El aumento del número de canales compensa la necesidad de un bajo avance por diente. El reducido espacio entre canales de una herramienta de 10 canales es demasiado estrecho para la evacuación de la viruta en muchas aplicaciones. Sin embargo, el fresado productivo del titanio ya favorece una baja profundidad radial (véase el consejo nº 1). La pequeña viruta resultante deja abierta la libertad de utilizar una fresa de alto número de filos para aumentar la productividad.
Haga una viruta gruesa y fina
«Fresado de escalada» es el término familiar para esta idea. Es decir, no alimentar la fresa de manera que el filo se mueva a través del material en la misma dirección en la que se alimenta la herramienta. Conocido como «fresado convencional», este enfoque del mecanizado hace que la viruta comience siendo fina y se haga más gruesa. A medida que la herramienta impacta en el material, las fuerzas de fricción crean calor antes de que el material comience a separarse del metal base. Una viruta fina es incapaz de absorber y expulsar este calor generado, que pasa a la herramienta de corte. Entonces, en el punto de salida donde la viruta es gruesa, el aumento de la presión de corte hace que la adhesión de la viruta sea un peligro.
El fresado en altura -o la formación de virutas gruesas- comienza con el filo de corte entrando en el material sobrante y saliendo por la superficie acabada (ver Figura 3). En el fresado lateral, la herramienta trata de «trepar» por el material, creando una viruta gruesa a la entrada para una máxima absorción de calor y una viruta fina a la salida para evitar la adhesión de la viruta.
El fresado de superficies en contorno exige un examen minucioso de la trayectoria de la herramienta para garantizar que ésta siga entrando sobre el material sobrante y saliendo sobre la superficie acabada de esta manera. Conseguir esto durante las pasadas intrincadas no siempre es tan sencillo como limitarse a mantener el material a la derecha.
Arco en
En el titanio y otros metales, la vida de la herramienta se pierde en los momentos de cambio brusco de fuerza. El peor de estos momentos suele ocurrir cuando la herramienta entra en el material. Alimentar directamente el material (como haría casi cualquier trayectoria de herramienta estándar) produce un efecto similar al de golpear el filo de corte con un martillo.
En su lugar, deslice suavemente. Para ello, cree una trayectoria de la herramienta que forme un arco en el material en lugar de entrar en él en línea recta (véase la figura 4). En el fresado de espesor a espesor, el arco de entrada de la trayectoria de la herramienta debe seguir la misma dirección (en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario) que la rotación de la herramienta. La trayectoria de entrada en forma de arco permite un aumento gradual de la fuerza de corte, lo que evita el enganche o la inestabilidad de la herramienta. La generación de calor y la creación de viruta también se incrementan gradualmente hasta que la herramienta está completamente engranada en el corte.
Terminar en un chaflán
También pueden producirse cambios bruscos de fuerza en la salida de la herramienta. Por muy útil que sea el corte de grueso a fino (consejo nº 3), el problema de este método es que la formación de grueso a fino se detiene repentinamente cuando la herramienta llega al final de la pasada y empieza a despejar el metal. El cambio abrupto produce un cambio igualmente abrupto en la fuerza, impactando la herramienta y quizás estropeando la superficie de la pieza. Para evitar que la transición sea tan brusca, tome la precaución de fresar primero un chaflán de 45 grados al final de la pasada para que la herramienta vea una disminución gradual de su profundidad de corte radial (véase la figura 5).
Apoyarse en el alivio secundario
Un borde de corte afilado minimiza las fuerzas de corte en el titanio, pero el borde de corte también debe ser lo suficientemente fuerte para resistir la presión de corte. Un diseño de herramienta con relieve secundario, en el que la primera zona positiva del filo de corte resiste las fuerzas, tras lo cual la segunda zona cae para aumentar la holgura, logra ambos objetivos (véase la figura 6). El relieve secundario es común en las herramientas, pero en el titanio en particular, experimentar con herramientas que tengan diferentes diseños de relieve secundario podría revelar cambios sorprendentes en el rendimiento de corte o en la vida de la herramienta.
Alterar la profundidad axial
En la profundidad de corte, la oxidación y la reacción química pueden afectar a la herramienta. Pueden producirse daños tempranos en este punto si la herramienta se utiliza repetidamente a la misma profundidad. Al realizar sucesivos cortes axiales, esta zona dañada de la herramienta puede provocar un endurecimiento por el trabajo, así como líneas en la pieza que son inaceptables para los componentes aeroespaciales, por lo que este efecto en la superficie puede hacer necesario un cambio temprano de la herramienta. Para evitarlo, hay que salvaguardar la herramienta cambiando la profundidad de corte axial en cada pasada, distribuyendo el área problemática en diferentes puntos a lo largo de la flauta (véase la figura 7). En el torneado, se puede conseguir un resultado similar torneando en forma cónica la primera pasada y en forma paralela la siguiente, evitando el entallamiento de la profundidad de corte.
Limitar la profundidad axial alrededor de los rasgos delgados
Es útil recordar la relación 8:1 cuando se fresan paredes delgadas y rasgos no soportados en titanio. Para evitar la desviación de las paredes de la cajera, fresar estas paredes en etapas axiales sucesivas en lugar de fresar toda la profundidad de la pared con una sola pasada de la fresa. Específicamente, la profundidad axial de corte en cada paso hacia abajo no debe ser mayor a 8 veces el espesor de la pared que quedará después de realizar estas pasadas de fresado (ver Figura 8). Si la pared tiene un grosor de 0,1 pulgadas, por ejemplo, la profundidad axial de corte para una pasada de fresado adyacente a ella no debe ser mayor de 0,8 pulgadas.
A pesar del límite de profundidad, es posible trabajar esta regla para que el fresado productivo siga siendo posible. Para ello, mecanice paredes finas de manera que quede una envoltura de material en bruto alrededor de la pared, haciendo que la característica sea 3 o 4 veces más gruesa que la característica final. Si la pared se mantiene con un grosor de 0,3 pulgadas, por ejemplo, entonces la regla 8:1 permite una profundidad axial de 2,4 pulgadas. Después de estas pasadas, tome profundidades axiales más ligeras para mecanizar las paredes gruesas hasta su dimensión final.
Elija una herramienta mucho más pequeña que la cajera
Debido a la medida en que la herramienta absorbe el calor en el titanio, la herramienta necesita un espacio libre para permitir la refrigeración. Al fresar una cajera pequeña, el diámetro de la herramienta no debe ser superior al 70% del diámetro (o dimensión comparable) de la cajera (véase la figura 9). Si el espacio libre es menor, se corre el riesgo de aislar la herramienta del refrigerante, así como de atrapar las virutas que, de otro modo, podrían transportar al menos parte del calor.
La regla del 70% también puede aplicarse a una herramienta que fresa a través de la parte superior de una superficie. En este caso, la anchura de la característica debe ser el 70% del diámetro de la herramienta. La herramienta se desplaza un 10 por ciento para favorecer la creación de virutas gruesas a finas.
Sigue el ejemplo del acero para herramientas
Las fresas de altade alto avance -un concepto de herramienta desarrollado para el mecanizado de aceros para herramientas en la industria de matrices y moldes- se ha adaptado en los últimos años al mecanizado de titanio. Una fresa de alto avance requiere una ligera profundidad de corte axial, pero cuando funciona a esta ligera profundidad, la herramienta permite velocidades de avance superiores a las de las fresas con diseños más convencionales.
La razón es el adelgazamiento de la viruta. La clave de una fresa de alto avance es una plaquita con una curva de gran radio en su filo de corte (véase la figura 10). Este radio distribuye la formación de la viruta a través de una gran área de contacto en el filo. Debido al adelgazamiento resultante, una profundidad de corte axial de 0,040 pulgadas puede producir un espesor de viruta de sólo 0,008 pulgadas. En el titanio, esta viruta tan fina supera el bajo avance por diente que suele requerirse en este metal. El adelgazamiento de la viruta abre el camino a un mayor avance programado del que sería posible de otra manera.
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