Cuando se trata de mecanizadoaleaciones de titanio, la primera aleación de titanio que me viene a la mente es probablemente Ti-6Al-4V. Ti-6Al-4V es la aleación de titanio más antigua y más utilizada del mundo y representa más de la mitad de todos los productos de aleaciones de titanio. Especialmente para los robots humanoides en auge, el Ti-6Al-4V es el material preferido debido a su precio razonable, alta resistencia y requisitos de peso ligero. La composición nominal del Ti-6Al-4V es 6% de aluminio (Al) y 4% de vanadio (V). El aluminio es el elemento estabilizador de fase, lo que mejora la temperatura ambiente de la aleación y la resistencia a altas temperaturas, mientras que el vanadio es el elemento estabilizador de fase, lo que mejora la plasticidad de procesamiento y la estabilidad térmica del material. Esta estructura + de doble fase proporciona a las aleaciones Ti-6Al-4V excelentes propiedades mecánicas integrales. Sin embargo, para fabricar piezas de aleación de titanio Ti-6Al-4V que cumplan con los requisitos de ensamblaje, el mecanizado es un problema inevitable. Por eso, hoy analizaremos por qué es difícil mecanizar aleaciones de titanio Ti-6Al-4V desde la perspectiva de las propiedades del material.
De todos los factores que contribuyen a la dificultad de mecanizar Ti-6Al-4V, su conductividad térmica extremadamente baja es ampliamente reconocida como el más crítico y decisivo. Esto es como una caja de Pandora activada por el proceso de corte, provocando una serie de reacciones en cadena y dominando sus desafíos de mecanizado. El corte de metales es esencialmente una deformación plástica violenta, donde el 99% de la energía mecánica se convierte en calor. Los aceros y aleaciones de aluminio comunes, con su buena conductividad térmica, pueden transportar el 60%-80% del calor a través de las virutas, y la mayor parte del calor es transportado por las virutas, dejando solo el 10%-20% para aplicar a la herramienta de corte. Sin embargo, el Ti-6Al-4V tiene una conductividad térmica extremadamente baja, sólo 1/6-1/7 de la del acero con medio carbono, como el acero 45, y 1/16 de la de las aleaciones de aluminio, lo que lo convierte en un "aislante térmico". Esto da como resultado que más del 80% del calor esté altamente concentrado en el área estrecha en la punta de la herramienta, formando una acumulación extrema de calor. Esta acumulación continua de calor puede alcanzar o incluso superar fácilmente los 1000 grados; temperaturas tan altas son catastróficas para las herramientas de corte. Por ejemplo, las altas temperaturas pueden provocar el ablandamiento térmico de los materiales de las herramientas, como el carburo cementado y el acero de alta velocidad, reduciendo drásticamente su dureza y resistencia al desgaste. Al mismo tiempo, activa la difusión atómica, exacerbando la difusión y el desgaste adhesivo entre la herramienta y la pieza de trabajo. El desconchado acumulado en los bordes también puede causar desgaste en cráter y las reacciones de oxidación en un ambiente rico en oxígeno y de alta temperatura desgastan aún más la herramienta. Mientras tanto, en el caso de las aleaciones de titanio mecanizadas, las altas temperaturas se transfieren a la superficie mecanizada, lo que provoca quemaduras en la superficie, cambios metalográficos y debilita el rendimiento ante la fatiga y la resistencia a la corrosión de las piezas. También promueve la reacción de la capa superficial de Ti-6Al-4V con los elementos O y N en el aire, formando una capa delgada, quebradiza y dura o capa de nitruro. Esta capa no sólo dificulta el corte, sino que también desgasta el filo y exacerba el endurecimiento por trabajo, creando un círculo vicioso.
Más importante aún, el entorno de alta-temperatura causada por la baja conductividad térmica actúa como catalizador, amplificando en gran medida los efectos negativos de otras propiedades-difíciles de-mecanizar. Por ejemplo, activa la actividad química, intensificando las reacciones químicas entre la herramienta y la pieza de trabajo, que discutiremos en una sección posterior. Por lo tanto, controlar la acumulación de calor de corte resuelve la mitad del problema del mecanizado de Ti-6Al-4V. Por lo tanto, el objetivo principal de las estrategias de optimización, como los nuevos recubrimientos de herramientas y el enfriamiento a alta presión y baja temperatura, es controlar eficazmente la acumulación de calor en la zona de corte.
La microestructura y la morfología del chip de Ti-6Al-4V también influyen significativamente en su maquinabilidad. Más importante aún, todos estos factores no están aislados sino interconectados, formando un complejo "sistema difícil de maquinar" que se refuerza a sí mismo.
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