La herramienta apropiada para el mecanizado de titanio

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Un taller que mecanice titanio puede mejorar sus tasas de remoción de metal, aun manteniendo constante la velocidad de corte. Para lograr esto, no tiene que involucrar una máquina-herramienta de más potencia o de última generación, pero sí requiere contar con herramientas que aprovechen la potencia de la máquina existente. También se necesitan herramientas que compensen algunos inconvenientes que se presentan cuando a una máquina se le exige rigidez.

Una compañía que ha estudiado el mecanizado de titanio es el proveedor de herramientas de corte Kennametal. Y un consejero de esta compañía que ha estudiado muchas aplicaciones de fresado de titanio es Brian Hoefler, gerente de producto para fresado. Este artículo está basado en su experiencia y recomendaciones.

¿Por qué llama la atención el mecanizado de titanio? Hay por lo menos dos razones. La primera, el titanio es el material utilizado para fabricar piezas de alta tecnología -no sólo componentes utilizados en las estructuras de aviones y en sus motores, sino también piezas médicas, por ejemplo-. Los talleres que estén en capacidad de desarrollarse con éxito en Estados Unidos, deberán migrar hacia los trabajos de alta tecnología, lo cual significa que un porcentaje creciente de talleres norteamericanos se encontrará con este material.

Otra razón de peso, para estudiar el fresado de titanio, tiene que ver con los procedimientos para mecanizar efectivamente cuando el material resulta difícil de cortar o cuando la velocidad disponible es baja. No todos los talleres tienen acceso a husillos de alta velocidad ni a grandes velocidades de avance. ¿Qué hace usted para alcanzar una mayor productividad cuando aumentar la velocidad de corte no es una opción?

Ponderar resistencia al corte versus tenacidad
Escoger el material de la herramienta de corte debe ser la primera consideración, dice Hoefler. El carburo podría ser la mejor opción. Pero los talleres están acostumbrados a ver el carburo como un material superior para herramientas de corte, utilizado rutinariamente para todos los trabajos difíciles. Con el titanio, la nueva generación de aceros rápidos puede ser una mejor alternativa.

La resistencia al desgaste, que le permite al carburo alcanzar altas velocidades, tiene su precio. Ese precio se paga en la "tenacidad volumétrica", o la habilidad del material de resistir fractura y descascaramiento. El carburo, en general, es más frágil que el acero rápido.

Esto es significativo en el fresado de titanio porque, generalmente, el desgaste del borde no es la causa de fallas de la herramienta en este material. Más bien, el descascarado o el rompimiento conducen a la falla. Adicionalmente, la generación de calor puede hacer imposible sacar ventaja de la alta velocidad de corte que el carburo permite. Estos dos factores sugieren que la tradicional tenacidad puede no ser de mucho valor. Con una herramienta más tenaz -de acero rápido, por ejemplo- se puede lograr una mayor profundidad de corte sin el temor de que los choques puedan causar rompimiento de los bordes. Particularmente, en una máquina-herramienta menos rígida, es importante que el material de la herramienta admita una mayor tasa de remoción de metal a partir de una mayor profundidad de corte que haciendo uso de la velocidad.

Pero este material presenta, además, otro rango de opciones. Muy pocos talleres conocen que hay más de una clase de aceros rápidos. Mientras la mayoría de las herramientas comerciales de acero rápido son fabricadas por un proceso que implica tratamiento térmico, existe la alternativa -metalurgia de polvos- de fabricarlas de tal manera que el acero tenga una estructura más uniforme con propiedades controladas más precisamente. Las herramientas fabricadas con metalurgia de polvos son más costosas, pero ofrecen un mejor desempeño.

Resistencia al calor
Algunas veces el carburo es necesario. Por ejemplo, los cortes con inmersiones radiales bajas sorpresivamente pueden permitir alta velocidad. En corte como ese, lo importante no es la resistencia al desgaste sino la resistencia al desgaste a altas temperaturas. Este requisito sugiere una herramienta con recubrimiento de carburo.

Hoefler dice que el carburo recubierto de nitruro de aluminio titanio (TiAlN) es usualmente la mejor opción para el mecanizado de titanio. Entre los numerosos tipos básicos de recubrimiento para las herramientas de corte, el TiAlN es el mejor para mantener la integridad y propiedades de la herramienta cuando aumenta la temperatura. De hecho, el calor realmente permite la protección del recubrimiento. El aluminio liberado del recubrimiento por la energía del mecanizado ayuda a formar una capa protectora de óxido de aluminio. Esta capa reduce la transferencia de calor y la difusión química entre la herramienta y la pieza de trabajo. Los recubrimientos que vendrán pronto adicionarán aún más aluminio para favorecer esta reacción.

Cuando el TiAlN no es la opción correcta, el motivo se relaciona con la vibración. El carbonitruro de titanio (TiCN) constituye un recubrimiento más fuerte, que ofrece mejor resistencia al microdescascarado. "Cuando utilice un inserto indexable y realice un corte más pesado o corte en una máquina menos rígida, ensaye con TiCN, puede ser la mejor opción", dice Hoefler.

Número de bordes efectivos
Aun cuando la velocidad, la carga de viruta y la profundidad de corte hayan sido establecidas, la profundidad de corte puede ser mejorada. Para incrementar la tasa de remoción de material, aumente el número de bordes efectivos.

En una herramienta helicoidal, por ejemplo, escoja la herramienta con el paso más fino posible (una herramienta tipo mazorca -corncob- también puede servir). De esta manera, los bordes de corte constituyen otra razón para considerar una herramienta de acero rápido, porque el acero de alta velocidad generalmente puede ofrecer más bordes de corte que una herramienta comparable de carburo.

Otra manera de obtener un mayor número de bordes efectivos es realizar el fresado en una dirección diferente. En fresado de inmersión, una fresa de concha (shell), o cualquier otra herramienta adecuada, se desplaza dentro de la pieza en la dirección Z como si fuera una broca. Las inmersiones paralelas son programadas sobrepuestas, de tal forma que el cortador nunca esté totalmente rodeado por material y las virutas tengan espacio para salir.

Esta estrategia sólo puede ser utilizada para desbaste, porque las pasadas adyacentes dejan protuberancias entre ellas, que pueden ser eliminadas más adelante. Como el desbaste de inmersión involucra un mayor número de bordes de corte de la herramienta, la velocidad de corte en pulgadas por minuto puede incrementarse mientras la carga de viruta permanece constante. El avance en la dirección Z también aprovecha la rigidez de la máquina porque las diferentes conexiones a lo largo del husillo, que tienden a producir deflexiones a lo largo de X o Y (como la interfaz del portaherramientas), son comprimidas en la dirección Z. A lo largo de la dirección Z la máquina es más rígida. Esto significa que aún puede ser posible aumentar más la carga de viruta.

Hoefler dice que "el desbastado de inmersión puede ser una estrategia muy productiva para la remoción de material en metales de alta resistencia. Yo creo que en la actualidad no muchos talleres aprovechan estas ventajas".

Eliminación de la vibración
Las posibilidades de deflexión también son algo importante a causa de otro problema serio: el castañeo. En lo que se refiere al castañeo, el fresado de titanio parece ofrecer lo peor de ambas palabras. Por otro lado, se involucran fuerzas de gran magnitud que hacen más significativo el castañeo. Además, generalmente no se presentan altas velocidades, lo que hace casi imposible encontrar un "dulce intervalo" de velocidad de husillo que pueda ayudar a eliminar el castañeo.

El castañeo, de hecho, decide la productividad de la mayoría de las aplicaciones de fresado de titanio. La tasa de remoción de metal más alta alcanzable no se presenta en el punto donde se desarrolla la máxima potencia, sino donde se inicia un castañeo significativo. Por esto, es importante diseñar el proceso de tal manera que se impida en lo posible el castañeo. Hoefler sugiere tener en cuenta las siguientes consideraciones:

1. Rigidez. Las interfaces entre la herramienta y el portaherramientas y entre el portaherramientas y el husillo deben tener la mayor rigidez posible. Para la interfaz de herramienta, un kit de contracción es una solución adecuada. Para el husillo, una interfaz HSK puede ofrecer mejor rigidez que un alojamiento cónico típico.

2. Amortiguamiento. Una herramienta con un alivio excéntrico, o un 'margen', puede proporcionar un amortiguamiento que prevenga el castañeo. Cuando la herramienta se deflecta, este alivio excéntrico entra en contacto con la pieza de trabajo y produce frotamiento. No todos lo materiales se comportan bien al frotamiento; el aluminio tiende a adherirse. Con el titanio, en cambio, este margen puede ser efectivo para absorber choques.

3. Espaciamiento variable de los bordes de corte. La mayoría de los talleres no está familiarizada con esta estrategia en el diseño de herramientas y en la prevención del castañeo. El castañeo lo produce la oscilación causada por los bordes de corte que golpean la pieza de trabajo con una frecuencia regular. Algunos cortadores para fresado utilizan flautas con espaciamientos diferentes para romper esta regularidad. Dos bordes de corte pueden estar separados 72 grados, mientras la distancia con el siguiente es de 68 grados, y con el posterior, de 75 grados. Con el espacio irregular se trata de eliminar el castañeo, previniendo que se mantenga una frecuencia constante. Otra opción, patentada por Kennametal, explota un ángulo variable de ataque para obtener un efecto semejante que perturbe las vibraciones.

¿Diez por ciento de profundidad radial?

Doble la velocidad
Los talleres que cortan titanio están familiarizados con la práctica de utilizar una baja inmersión radial para controlar la generación de calor. En una pasada de baja inmersión radial, la profundidad radial del corte es mucho menor que el radio de la herramienta. Como resultado, todos los bordes de corte demoran más tiempo fuera del corte que dentro de él, dando a cada borde un tiempo relativamente corto para generar calor y uno largo para enfriarse.

Esta técnica trabaja tan bien en el control del calor, dice Brian Hoefler, de Kennametal, que muchos usuarios fallan al no tener en cuenta cuánta velocidad extra están en capacidad de obtener. La poca profundidad de corte precluye una alta tasa de remoción de metal, pero en el taller, haciendo pasadas de terminado con este método, se puede compensar parcialmente el no haber utilizado las velocidades recomendadas.

Hoefler sugiere estas reglas fundamentales:
- Cuando la profundidad radial es menor que 25 % del diámetro, incremente los sfm en 50 % (sobre la velocidad nominal utilizada en los cortes pesados).
- Cuando la profundidad radial es menor que 10 % del diámetro, incremente los sfm en 100 %.

Próximamente: recubrimientos de alto-aluminio
El 'Al' en el TiAlN origina gran parte de la efectividad de este recubrimiento de herramientas. El aluminio en el recubrimiento ayuda a formar una capa de protección de óxido de aluminio. Una mayor cantidad de aluminio en el recubrimiento hará que el mecanismo sea mucho más efectivo.

Ahora, gracias a las técnicas mejoradas de evaporación utilizadas en la manufactura del recubrimiento, pronto estará disponible TiAlN con un mayor contenido de aluminio. El recubrimiento ofrece mejor dureza en caliente que las versiones previas de TiAlN, sin comprometer la tenacidad, dice Hoefler.

© Reproducido de Modern Machin Shop con autorización expresa del editor.

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