Herramientas para titanio

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El diseño del nuevo Boeing 787 Dreamliner se basa, en gran parte, en materiales compuestos. Ese aspecto del avión ha llamado mucho la atención. Sin embargo, los compuestos no son la única razón por la que este avión es materialmente diferente. Comparado con otras aeronaves comerciales, el 787 utiliza muchas más partes de titanio. Únicamente para mecanizar el titanio indispensable para completar las órdenes de este avión, Boeing necesitará emplear 1.000 husillos dentro de los próximos 3 a 5 años.

Ese estimado viene de Keith Young, ingeniero y científico del grupo de investigación y desarrollo en manufactura avanzada de Boeing, con sede en Saint Louis, Missouri, Estados Unidos. Parte del trabajo de Young es ayudar a que esos husillos trabajen de manera más efectiva para Boeing. El desafío en la manufactura de piezas de aeronaves en titanio es hacerlas más ligeras, con paredes y pisos delgados, además de reducir el peso parasitario del remanente en los bordes. Por medio de experimentos, Young y otros ingenieros de su grupo desarrollaron técnicas de mecanizado para lograr estas metas. Ellos les manifestaron a los diseñadores de Boeing qué características de mecanizado eran posibles en piezas de titanio y les enseñaron a los proveedores de mecanizado cómo producir tales características.

Algo de este conocimiento ya ha sido desarrollado para partes de titanio en aeronaves militares. Sin embargo, los aviones comerciales difieren en escala. Las dimensiones de las partes, principalmente la profundidad de los bolsillos, son mayores. Un bolsillo profundo en una pieza de una aeronave militar es de 3 pulgadas. En los componentes del 787 los bolsillos en titanio pueden tener 6 pulgadas de profundidad. Considerando que las relaciones de longitud de herramienta a diámetro, de 3:1 o 4:1, han sido usadas tradicionalmente para mecanizar titanio de aeronaves, las nuevas partes requieren relaciones de 6:1 u 8:1, y la diferencia afecta fundamentalmente la elección del herramental. Por ejemplo, donde una herramienta de fresado con insertos podía ofrecer normalmente un vástago de acero, el bolsillo más profundo podría necesitar un vástago de carburo, más rígido, para minimizar la deflexión y ayudar a prevenir la vibración.

Tom Talley es otro ingeniero y científico de Boeing en Saint Louis. Junto con Young, compartieron algo de lo que ellos han aprendido sobre las elecciones del herramental apropiado para las piezas de última generación en titanio. Sus recomendaciones proporcionaron la base para este artículo, pero vale la pena cualificar qué tan lejos llegan estas recomendaciones. Boeing puede delegar las técnicas de mecanizado, según la apreciación de ambos, pero no delega el trabajo a los proveedores de herramientas de corte. Más adelante se mencionan algunos de los proveedores de herramientas porque ellos ofrecen lo que Talley y Young consideran claros ejemplos de estilos útiles de herramientas. Sin embargo, en la mayoría de estos casos, otras compañías de herramientas ofrecen diseños comparables. Una herramienta competitiva puede ser una elección más efectiva en el proceso de un taller particular. Las herramientas aquí citadas son simples ilustraciones, que muestran algunas características de herramientas aptas para las especificidades de producción de partes cada vez más importantes para Boeing.

Herramientas para desbaste
La herramienta Weldon Crest-Kut, que se aprecia en la figura 1, ofrece una geometría irregular a lo largo de las flautas. La importancia de esta irregularidad tiene que ver con la eliminación de la vibración.

La vibración es el factor limitante en muchos procesos de fresado. Su severidad a una cierta profundidad de corte generalmente previene que la herramienta llegue a una profundidad de corte más pesada de lo que la herramienta y el husillo permitirían de otra forma. La vibración se origina parcialmente en las ondas regulares, producidas por la geometría consistente de una herramienta, que son transmitidas sobre la superficie mecanizada. Con la forma inconsistente de estas flautas, la herramienta falla al impartir estas ondas regulares. De esta manera, la ‘señal’ que podría alimentar el potencial de vibración es mucho más débil. Como resultado, esta herramienta corta de forma eficiente y silenciosa a una profundidad de corte que puede representar una tasa significativamente más alta de remoción de metal.

Una opción totalmente diferente para lograr una alta tasa de remoción de metal en el mecanizado de titanio es el desbaste vertical. Para partes de aeronaves hechas de aluminio, el desbaste vertical rara vez tiene sentido; fresar de la forma convencional es suficientemente rápido. En titanio, sin embargo, el desbaste vertical puede ofrecer una alternativa para evitar otro corte lento, de manera que permita retirar una gran cantidad de material rápidamente.

En el desbaste vertical se introduce la fresa de corte en el material como si fuera una broca. El material se mecaniza a través de penetraciones traslapadas, donde cada penetración toma ventaja de la rigidez inherente de la máquina a lo largo de la dirección Z. La herramienta de corte central de Iscar, que se ve en la figura 2,es un ejemplo de la clase de herramienta que puede hacer este trabajo.

Young afirma que hay dos casos en el titanio donde la penetración en Z tiene sentido. Estos casos son: 1) bolsillos poco profundos y anchos, y 2) bolsillos profundos y angostos.

En un bolsillo poco profundo, una fresa de acabado de corte profundo, como la herramienta Weldon, puede no ser capaz de lograr la profundidad axial adecuada para lograr su total efectividad. Si el mismo bolsillo es lo suficientemente amplio para acomodar una serie de penetraciones con una herramienta de diámetro ligeramente más grande, el desbaste vertical puede ser más eficiente.

Por otro lado, en un bolsillo angosto y profundo, una fresa de acabado puede gastar mucho tiempo haciendo rampas en lugar de fresar productivamente. La herramienta de desbaste vertical puede mecanizar un bolsillo como tal, penetrando profundamente en cada pasada.

Cualquiera sea la elección de herramienta y la técnica para remover una cantidad de material con rapidez, es importante notar que no todas las partes en titanio presentan tal desafío. Esto significa que no todas requieren desbaste. Las partes de titanio más nuevas pueden comenzar como partes de forma cercana a la neta, con deposiciones de láser para las cuales sólo se requiere el acabado. Por esto, afirma Young, la elección de herramientas de acabado es aún más significativa que las elecciones relacionadas con el desbaste.

Acabado de pisos y esquinas
La figura 3 muestra una fresa de acabado de Data Flute, que también utiliza una geometría irregular para disminuir la vibración. Las cuatro flautas están espaciadas en incrementos ligeramente diferentes de 90°. Colocar de esa forma la irregularidad en la punta es apropiado, ya que cuando la herramienta hace el acabado del piso de un bolsillo, la punta está donde debe hacer su trabajo.

La vibración es un peligro incluso más significativo en operaciones de acabado. En el desbaste, la vibración inhibe la productividad. Sin embargo, en el acabado, la parte, de por sí, puede estar en riesgo, porque la vibración puede comprometer la precisión y el acabado, o puede incluso destruir características delicadas, como costillas y paredes muy delgadas. Por eso, si hay o no una geometría irregular, las herramientas para acabado de titanio generalmente deberían ser rígidas a fin de minimizar el potencial de vibración. La misma rigidez puede reducir el peligro de deflexión en bolsillos profundos.

La figura 4 muestra un ejemplo. Esta herramienta para acabado vertical, de Ingersoll Cutting Tools, puede mecanizar un radio de esquina pequeño en un bolsillo profundo, avanzando en Z. Young señala este tipo de herramienta como un caso donde el vástago de carburo puede ser necesario para maximizar la rigidez en lugar de un vástago de acero.

Acabado de paredes y costillas
La foto 5 muestra un diseño de herramienta de 10 flautas, también de Data Flute, que puede ser efectivo en el mecanizado de paredes y costillas delgadas para partes de titanio. Debido a que la tasa de avance es una función tanto del número de flautas como de la carga de viruta, esta herramienta puede recorrer la parte de una manera rápida, incluso cuando la carga de viruta es ligera.

La poca profundidad de la flauta de la herramienta mejora la rigidez. Además, la herramienta está concebida para profundidades bajas de corte. El resultado es un diámetro de núcleo grande que mantiene la rigidez de la herramienta. La corta longitud de la flauta ayuda también con la rigidez.

Aquí todavía no es visible otra característica potencialmente importante de la herramienta. Las herramientas que realizan acabados de paredes y costillas en titanio deberían ofrecer un alivio excéntrico a lo largo de las flautas, comenta Talley. Interactuando con la superficie mecanizada, este alivio puede amortiguar el proceso para inhibir la vibración.

Los talleres que suelen mecanizar paredes delgadas de partes de aeronaves en aluminio ya pueden saber cómo usar una fresa de acabado para mecanizar esas características en titanio. A través del "mecanizado tipo línea de agua", la herramienta deberá cortar a ambos lados del rasgo, en pases alternados, de modo que la pared o la costilla permanece soportada en ambos lados a medida que se descubre el trazo.

En cuanto a qué tanto material debería remover la herramienta para acabados de este estilo, Young dice que la herramienta misma proporciona una pista. Como regla general, la relación de altura a espesor del material que queda atrás, después del desbaste, debe coincidir con la relación longitud a diámetro de la herramienta que hará el mecanizado de acabado.

En otras palabras, para una herramienta con relación L:D de 6:1, el material restante del mecanizado de desbaste debería tener un espesor de alrededor de 1/6 la altura de la costilla sin acabar.

De nuevo, esto es sólo una regla general, que ciertamente no tiene en cuenta los diferentes módulos elásticos de la herramienta y la pieza de trabajo. Sin embargo, el punto fundamental es este: la pared o costilla que continúa soportada por el material remanente debería ser más o menos igual de rígida como la herramienta de acabado, y no mayor.

Hacer esa característica apoyada más gruesa, provoca desperdicios de tiempo y afecta la vida de la herramienta, ya que deja exceso de material que debe ser removido por la herramienta de acabado. El espesor extra no da ningún beneficio, porque deflexión es deflexión, sea la herramienta o la parte la que se deflecte. Si ya ha sido determinado un espesor particular como el apropiado para la herramienta, entonces, el mismo espesor también será el apropiado para el material que la herramienta vaya a cortar.

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