La ultima tecnología de torneado para piezas de titanio
Las propiedades especiales de las aleaciones de titanio lo convierten en un campo de aplicación cada vez más popular. Alta relación resistencia / peso, excelente tenacidad y excelente resistencia a la corrosión. Las aleaciones de titanio se pueden usar para hacer implantes médicos, cabezas de palos de golf y armaduras militares.
Sin embargo, el torneado de piezas de aleación de titanio es muy difícil, lo que hace que los técnicos de mecanizado sean desalentadores. Creen que el súper rendimiento de las aleaciones de titanio reduce en gran medida la "capacidad" de su maquinabilidad, lo que hace que su proceso de corte sea extremadamente desafiante.
Aunque esta visión tiene sentido, no es exhaustiva. Este artículo explora la última estrategia de torneado para aleaciones de titanio. Es útil para los técnicos de mecanizado procesar materiales difíciles de mecanizar para una amplia gama de aplicaciones (como piezas de carreras, aparatos de respiración subacuática, etc.) y aplicar nuevas técnicas de corte.
BillHeadland, especialista senior en proyectos de RTI International Metals, un fabricante de aleaciones de titanio, señaló. Aunque muchas plantas de procesamiento consideran el procesamiento de titanio como un camino temible, de hecho, las aleaciones de titanio cubren una amplia gama de productos, debe saber cuál está procesando. Las aleaciones de titanio tienen muchos grados, algunos de los cuales son difíciles de mecanizar, mientras que otros no. El titanio comercialmente puro (grado CP) es un material no aleado comúnmente utilizado en la fabricación de piezas médicas, intercambiadores de calor y marcos de anteojos. Los grados CP tienen excelente resistencia a la corrosión y son relativamente fáciles de procesar. Pero en comparación con otras aleaciones de titanio, su fuerza es muy bajo, y debido pegajoso y suave.
Después de la adición de la aleación al titanio puro, la fase cristalina (estructura cristalina) cambia, y las propiedades y la maquinabilidad del material también cambian. La aleación de titanio α y la aleación de titanio cuasi-α contienen aditivos como níquel, aluminio y vanadio. La maquinabilidad de estos grados intermedios de aleaciones de titanio es bastante buena. Los grados de titanio alfa-beta pueden contener más aluminio y vanadio. La aleación de titanio industrial principal Ti6Al4V es un grado de aleación de titanio alfa-beta que contiene aproximadamente 6% de aluminio y 4% de vanadio. Ti6Al4V y sus variantes representan aproximadamente el 50% -70% de las aleaciones de titanio actualmente utilizadas.
Una aleación de titanio de grado beta con hierro, cromo y otros ingredientes agregados es uno de los grados más difíciles de procesar. Debido a su alta tenacidad a la fractura y excelente resistencia a la fatiga del ciclo alto, las propiedades mecánicas de los grados beta son similares a las aleaciones a base de níquel de Hastelloy y materiales similares. Un ejemplo de aplicación típico es la fabricación de un resorte liviano que se utiliza para disparar la cola plegable de un misil táctico de lanzamiento submarino.
Diversas aleaciones de titanio exhiben diferentes propiedades de corte. Algunas personas piensan que el tiempo requerido para mecanizar una pieza de trabajo Ti6Al4V suele ser tres veces mayor que el de una pieza de acero; Otros dicen que el tiempo requerido para mecanizar una pieza de trabajo beta Ti5553 es el doble del tiempo requerido para mecanizar una pieza de trabajo Ti6Al4V.
En torneado, la característica más importante de las aleaciones de titanio es la baja conductividad térmica. La alta temperatura generada durante el corte es difícil de absorber por la pieza de trabajo y se acumula en el filo de la herramienta. El calor excesivo hace que el borde de corte y la reacción química entre los chips y genera desgaste de cráteres.
Las aleaciones de titanio también tienden a endurecerse, por lo que es importante eliminar el metal por corte en lugar de extrusión. Además, aunque las aleaciones de titanio tienen una alta resistencia, también tienen un bajo módulo de elasticidad. Esto significa que las aleaciones de titanio son relativamente más elásticas y más fáciles de dejar el filo que otros materiales (especialmente durante el corte con carga ligera). Teniendo en cuenta estas características de las aleaciones de titanio, para lograr con éxito el torneado de las aleaciones de titanio, la clave es lograr un equilibrio entre la velocidad de corte, la velocidad de avance y la profundidad de corte.
La velocidad de corte es el factor principal que afecta la generación de calor de corte. El experto en torneado de Sandvik Coromant, Stefan Gyllengahm, pasó tres años y medio desarrollando grados de herramientas para fabricantes de herramientas. Durante este tiempo, realizó una prueba de corte Ti6Al4V en el laboratorio, y los resultados mostraron que la velocidad de corte debe seleccionarse cuidadosamente: En algunos casos, cuando la velocidad de corte se incrementa en un 10% -15%, la vida útil de la herramienta se reducirá de 40 a 6 piezas, lo que indica que la velocidad de corte se ajusta demasiado. También descubrió 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 es perjudicial para la vida útil de la herramienta porque hay un rango límite de calor excesivo.
La geometría de la herramienta juega un papel clave en el control de la forma de la viruta para la disipación de calor. Las virutas más anchas y delgadas aumentan el área de contacto entre la viruta que se está formando y el filo de corte, reduciendo así la acumulación de calor en el filo de corte. Si las virutas de corte son más delgadas y generan menos calor, la velocidad de corte puede ser más rápida.
Por ejemplo, cuando el desbaste se realiza con una cuchilla de diamante tipo C (80 °) que tiene un ángulo de avance estándar de -5 °. El grosor de la viruta es aproximadamente igual a la velocidad de alimentación; El uso de una cuchilla cuadrada con un ángulo de avance de 45 ° permite que el metal cortado (y el calor de corte) se extienda a lo largo del filo más largo. La cuchilla circular maximiza teóricamente este concepto (pero solo cuando la profundidad de corte es pequeña). Según Gyllengahm, las virutas muy delgadas generalmente se obtienen con un inserto redondo cuando la profundidad de corte es pequeña. Sin embargo, considerando la cuchilla redonda que tiene ángulo de avance efectiva un corte circular de 12,7 mm disminuye cuando la profundidad de corte es mayor que 2 mm, es preferible utilizar insertos cuadrados. Porque a la misma profundidad de corte, la cuchilla cuadrada todavía tiene un ángulo de avance de 45 °.
Bill Skoretz es el gerente de la división de procesamiento de Patriot Forge. La compañía ofrece una amplia gama de materias primas, desde aceros de baja aleación y aceros inoxidables hasta grados especiales de aleaciones de aluminio y aleaciones de titanio, y en ocasiones hasta piezas de aleación de titanio para los clientes de la compañía. Al analizar los desafíos de tornear aleaciones de titanio, se centró en la experiencia de los chorros de refrigerante para molinos de torneado. Este grado de aleación de titanio resistente a la corrosión es abrasivo. Debido a la resistencia de las aleaciones de titanio, se debe utilizar una geometría de herramienta positiva y se debe enfatizar la forma del cabezal de la herramienta. Si la esquina inferior o frontal de la herramienta es demasiado pequeña, la herramienta comenzará a generar tensión, lo que causa muchos problemas. Por lo tanto, se debe encontrar un equilibrio óptimo entre el ángulo geométrico positivo del cabezal de la herramienta y el soporte del filo.
Skoretz describe el desarrollo de herramientas de corte desde una perspectiva histórica. Antes del desarrollo de las herramientas de carburo cementado, las herramientas de acero de alta velocidad se usaban principalmente para cortar acero. El advenimiento de las herramientas de carburo permite usar un ángulo geométrico positivo, pero la máquina debe tener suficiente potencia. Los insertos de ángulo de inclinación negativo solo permiten que el material de aleación de titanio se pliegue o aplasta, lo que dificulta su eliminación. Pero también advirtió que si el ángulo de inclinación positivo de la cuchilla es demasiado grande, también formará una fuerza de tracción sobre el material de aleación de titanio. Por lo tanto, se debe encontrar un equilibrio entre las tensiones de compresión y tensión. Mencionó que en el pasado se usaba una cuchilla que tenía una tierra en forma de T con una superficie de 0.1 mm o 0.13 mm en el filo de corte. "Principalmente por la seguridad de la cuchilla, no se puede usar un filo afilado porque no durará mucho". También utiliza fluidos de corte a base de aceite en su mecanizado, pero utiliza principalmente sus propiedades lubricantes en lugar de su capacidad de enfriamiento. Otras plantas de procesamiento también tienen diferentes métodos de torneado de titanio porque existen diferentes soluciones para la eliminación de cualquier material.
Otras plantas de procesamiento también tienen diferentes métodos de torneado de titanio, ya que existen diferentes soluciones para la eliminación de cualquier material de titanio.
Rayco Machine tiene el 30% de su negocio que se ocupa de piezas de carreras, muchas de las cuales son piezas caras de titanio. Porque el mejor equipo de carreras está dispuesto a pagar más por piezas livianas y de alta resistencia. Con el fin de mantener sus autos con el peso mínimo permitido por las reglas, mientras se mantiene el control sobre la distribución de su peso corporal total. Por ejemplo, reducir la masa de las piezas giratorias y no suspendidas (como los componentes de la rueda y el freno) puede mejorar efectivamente el rendimiento de aceleración y manejo. Las piezas de titanio giratorias de Rayco incluyen piezas que se extienden entre la pinza de freno y el rotor.
Al igual que Skoretz, el presidente de Rayco, Greg Cox, dijo que para convertir con éxito aleaciones de titanio, se necesita un enfoque equilibrado. Él cree que al seleccionar los parámetros de corte, es muy importante que el material de la pieza de trabajo no se pueda empujar durante el procesamiento, de lo contrario es probable que se produzca un endurecimiento del trabajo, lo que causa grandes problemas para el procesamiento. Los parámetros de procesamiento comúnmente utilizados por Rayco son: Velocidad de corte 120sfm, velocidad de avance 0.13-0.20mm.
La profundidad de corte también es importante. Una vez más, la profundidad de corte moderada es la mejor opción. La profundidad máxima de corte de Rayco es de 0.8-1 mm. Las piezas de titanio de Rayco se pueden procesar en lotes de hasta 200 piezas, pero la mayoría tienen entre 5 y 20 piezas. Cox expresó, empresa Rayco también continuó mejorando el proceso, pero se debe tener cuidado cuando se trata de parámetros de corte, porque el titanio es bastante caro y no puede actuar imprudentemente a fin de no dar lugar a piezas de obsolescencia. El precio de las aleaciones de titanio aumentó muy rápidamente, pasando de $ 47 / lb a $ 68 / lb el año pasado. El alto precio de las aleaciones de titanio también ajusta el inventario de materiales para piezas de trabajo.
Scott Holland, gerente general de la división de I + D y fabricación del fabricante de equipos de buceo Atomic Aquatics, dijo. Al mecanizar respiradores subacuáticos con titanio, "siempre tratamos de mejorar continuamente la eficiencia del mecanizado para reducir el tiempo de mecanizado, mecanizar más piezas y extender la vida útil de la herramienta". Pero cuando intentaron mecanizar más piezas, fue la herramienta la que se rompió de repente. Por lo tanto, Holland espera lograr un punto de equilibrio óptimo, pero este equilibrio no son solo números y procedimientos. Holland tiene casi una década de experiencia en el mecanizado de titanio, y confía en observar la forma de la pieza de trabajo y la herramienta y en escuchar el ruido de corte para dominar este equilibrio. Holland dijo que el procesamiento de aleaciones de titanio también puede ser relativamente simple. “Si usa una herramienta afilada y cambia la herramienta en su propio tiempo estimado, solo puede mecanizar titanio en un rango limitado. Puedes probarlo a tu manera, pero no necesariamente funciona. Existen ciertas reglas en el procesamiento de aleaciones de titanio. Si domina estas reglas, puede ser útil. "
El uso creciente de aleaciones de titanio ha impulsado el desarrollo de tecnología de corte con un enfoque en el torneado eficiente de aleaciones de titanio. Chris Mills, Gerente Senior, Gestión de Procesos y Soporte Técnico, Sandvik Coromant, enfatiza. El desgaste químico es el principal mecanismo de falla de la herramienta al girar aleaciones de titanio, mientras que el corte a altas temperaturas acelera el desgaste químico.
Cuando la viruta caliente se dibuja sobre la cara de rastrillo de la herramienta, el cobalto en realidad se "empuja" hacia afuera de la cuchilla. Mills describe cómo reducir la temperatura de corte en dos pasos: El primer paso es utilizar un diseño de geometría de herramienta (como una cuchilla cuadrada o redonda con un ángulo de avance de 45 °) para reducir el grosor de la viruta y reducir la temperatura de corte. reducción de desgaste de cráteres por este hecho, en última instancia, el uso de mayores velocidades de avance y la vida útil de la herramienta; El segundo paso es usar un refrigerante a alta presión con una morfología especial. Este refrigerante no solo tiene alta presión, sino que también exhibe un patrón de pulverización laminar muy preciso. Se puede formar una "cuña de agua" entre el chip y la cara del rastrillo de la cuchilla para sostener el chip de manera que se minimice el contacto con la cara del rastrillo para evitar el desgaste del cráter.
El sistema de enfriamiento Jetbreak de Sandvik está disponible a 1000-3000 psi con una boquilla de 1.27 mm de diámetro y refrigerante emulsionado estándar. No solo tiene un efecto de enfriamiento, sino que también genera elevación para levantar las virutas, lo que reduce la fricción y la temperatura entre las virutas y la cara del rastrillo. Use este sistema para aumentar la velocidad de corte en un 50%.
Mills describe el efecto de combinar las dos estrategias de enfriamiento descritas anteriormente: Al mecanizar aleación de titanio con parámetros de corte optimizados (velocidad de corte: 40 m / min. Velocidad de avance: 0.3 mm / rev) con un inserto CNMG con ángulo de avance de -5 °, la vida útil de la herramienta es de aproximadamente 20 minutos; Al mecanizar con una cuchilla redonda o una cuchilla cuadrada con un ángulo de avance de 45 °. La velocidad de corte se puede aumentar a 50-60 m / min, la velocidad de avance se aumenta a 0,4 mm / rev, y se puede mantener una vida útil similar de la herramienta. Como se puede eliminar más material de la pieza de trabajo al mismo tiempo, la productividad se puede duplicar con solo una cuchilla cuadrada. Si usa un sistema de enfriamiento de alta presión, puede aumentar la velocidad de corte en otro 50%.
El refrigerante a alta presión debe transportarse a través del paso dentro del eje de la máquina (en lugar del tubo externo). El refrigerante fluye a través de un conector dedicado en el portaherramientas de cambio rápido Sandvik Capto, que es controlado por Capto. Este sistema de enfriamiento de alta presión se puede instalar fácilmente cuando se instala la máquina.
Para los talleres que a menudo procesan piezas de aleación de titanio (especialmente piezas aeroespaciales grandes y caras), que aumentan la productividad en un 50%, vale la pena invertir en mandriles de herramientas especiales y máquinas con sistemas de enfriamiento de alta presión. Este sistema de enfriamiento de alta presión tiene una ventaja única en el torneado de aleaciones de titanio porque no produce desgaste del cráter tanto como otros materiales de piezas de trabajo.
