Aleaciones de titaniotener muchas ventajas. Por ejemplo: alta resistencia a la corrosión, baja densidad y alta resistencia, propiedades no-magnéticas, biocompatibilidad y resistencia a altas-temperaturas. Sin embargo, las aleaciones de titanio son realmente difíciles de mecanizar y requieren herramientas de corte especiales. Este artículo analizará las razones por las que las aleaciones de titanio son difíciles de mecanizar y las contramedidas que se pueden tomar.
1. Razones por las que las aleaciones de titanio son difíciles de mecanizar
Primero, concentración de calor
La mayoría de las aleaciones de titanio tienen una conductividad térmica muy baja-sólo 1/7 de la del acero, 1/16 de la del aluminio y 1/25 de la del cobre. Como resultado, el calor generado durante el mecanizado de aleaciones de titanio no se transfiere rápidamente a la pieza de trabajo ni es arrastrado por las virutas, sino que se concentra en la zona de corte.
Las temperaturas en el filo pueden alcanzar hasta 1000 grados, lo que provoca un rápido desgaste y agrietamiento del filo de la herramienta, lo que provoca la acumulación de viruta y acorta la vida útil de la herramienta.
Las altas temperaturas generadas durante el corte también comprometen la integridad de la superficie de las piezas de aleación de titanio, lo que da como resultado una precisión geométrica y un endurecimiento por trabajo reducidos, lo que reduce gravemente su resistencia a la fatiga.
Segundo, deformación elástica
El módulo de elasticidad de las aleaciones de titanio no es muy alto; por ejemplo, el módulo de elasticidad del TC4 es solo de 110 GPa, mientras que el del acero 45 es de 210 GPa y el de los aceros inoxidables como 303, 304 y 316 también ronda los 200 GPa. Por lo tanto, es probable que se produzca deformación elástica al mecanizar aleaciones de titanio.
Este problema es aún más grave cuando se mecanizan piezas-de paredes delgadas o con forma de anillo-. No es fácil mecanizar piezas de aleación de titanio de paredes delgadas-con la precisión dimensional deseada. Esto se debe a que cuando la herramienta de corte empuja el material de la pieza de trabajo, la deformación local en las áreas de paredes delgadas-excede el límite elástico, lo que resulta en una deformación plástica, lo que aumenta significativamente la resistencia y dureza del material en el punto de corte.
La presión de corte hace que la pieza de trabajo "elástica" se aleje de la herramienta y rebote, lo que resulta en una fricción entre la herramienta y la pieza de trabajo que excede la fuerza de corte. Esta fricción genera calor, lo que agrava el problema de la mala conductividad térmica de las aleaciones de titanio.
En tercer lugar, las aleaciones de titanio tienen una alta afinidad, lo que conduce a la formación de virutas largas y continuas durante el torneado y el taladrado. Estas virutas pueden enrollarse alrededor de la herramienta y afectar su funcionamiento. Una profundidad de corte excesiva puede provocar que la herramienta se pegue, se queme y se rompa.
Por supuesto, esta alta afinidad también es bastante útil en otras aplicaciones; por ejemplo, en bombas de iones, donde se utiliza titanio para placas catódicas. Cuando los átomos de titanio se pulverizan sobre la pared del tubo del ánodo, adsorben gas, creando así un vacío ultra-alto.
Cuarto, vibración
Si bien la elasticidad de las aleaciones de titanio puede beneficiar el rendimiento de la pieza, durante el proceso de corte, la deformación elástica de la pieza de trabajo es una de las principales causas de vibración.
La vibración generada al mecanizar aleaciones de titanio es aproximadamente 10 veces mayor que la del acero. Dado que el calor de corte se concentra en la zona de corte, se producen virutas dentadas y se producen fluctuaciones en la potencia de corte.
2. Contramedidas para la difícil maquinabilidad de las aleaciones de titanio
Primero, enfriamiento
Se puede utilizar refrigerante para reducir las altas temperaturas generadas durante el proceso de corte. Normalmente, los refrigerantes no-a base de aceite-solubles se utilizan para cortes y cizallas con cargas pesadas- a baja velocidad-y cargas pesadas, mientras que los refrigerantes de corte solubles se utilizan para cortes y cizallas a alta-velocidad.
Además, se pueden emplear métodos de corte criogénico, utilizando nitrógeno líquido (-180 grados) o CO₂ líquido (-76 grados) como fluido de corte para reducir la temperatura en la zona de corte. Este método puede reducir la fuerza de corte principal en un 20 % y reducir la temperatura de corte en más de 300 grados. Al mismo tiempo, el filo recrecido desaparece, la calidad de la superficie mecanizada mejora y la vida útil de la herramienta aumenta en un factor de 2 a 3.
En segundo lugar, seleccionar las herramientas de corte adecuadas
Elegir las herramientas de corte correctas puede generar mejoras significativas.
Dado que el calor debe disiparse a través del filo y el refrigerante-en lugar de a través de la viruta, como es el caso del acero-, una pequeña porción del filo debe soportar tensiones térmicas y mecánicas extremadamente altas. El uso de un filo afilado reduce las fuerzas de corte.
Además, la presión de corte se puede reducir utilizando insertos rectificados con ranuras pulidas y ángulos de ataque positivos altos.
Si es necesario, también se pueden utilizar herramientas recubiertas para resistir la adhesión a la aleación y romper las virutas largas, minimizando así la fricción durante la evacuación de las virutas-todo lo cual ayuda a prevenir la generación de calor durante el mecanizado.
En tercer lugar, mantenga una velocidad de alimentación constante o aumente la velocidad de alimentación.
El titanio tiende a endurecerse por trabajo-es decir, se vuelve más duro a medida que se mecaniza, lo que provoca un mayor desgaste de la herramienta. Una velocidad de avance constante garantiza que el endurecimiento por trabajo se mantenga al mínimo.
Por supuesto, si la máquina lo permite, se puede aumentar la velocidad de avance. Esto significa que la herramienta pasa menos tiempo en un área específica, dejando menos tiempo para la acumulación de calor y el endurecimiento por trabajo.
Cuarto, reduzca la velocidad de corte.
Por ejemplo, utilice un-tercio o menos de la velocidad de corte utilizada para el acero para controlar la generación de calor.
Quinto, cambiar las herramientas según el proceso.
Las herramientas con revestimientos de cerámica, carburo de titanio y nitruro de titanio utilizadas para mecanizar aleaciones de titanio tendrán una vida útil más corta.
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