¿Por qué es difícil trabajar la aleación de titanio?

1. Fenómenos físicos del procesamiento del titanio

La potencia de corte de las aleaciones de titanio es solo ligeramente mayor que la de los aceros de la misma dureza, pero los fenómenos físicos al mecanizar aleaciones de titanio son mucho más complejos que con los aceros, haciendo que el mecanizado de aleaciones de titanio sea extremadamente difícil.

La conductividad térmica de la mayoría de las aleaciones de titanio es muy baja, solo 1/7 de la del acero y 1/16 de la del aluminio, por lo tanto, el calor generado durante el corte 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, la temperatura resultante puede alcanzar los 1000 °C o más, haciendo que el filo de la herramienta se desgaste rápidamente, se astille y se forme un tumor de viruta, surgiendo rápidamente filos desgastados, pero también provocando que la zona de corte genere más calor, reduciendo aún más la vida útil de la herramienta.

Las altas temperaturas generadas durante el proceso de corte también destruyen la integridad superficial de la pieza de aleación de titanio, provocando una reducción en la precisión geométrica de la pieza y un fenómeno de endurecimiento por trabajo que reduce severamente su resistencia a la fatiga.

La elasticidad de las aleaciones de titanio puede beneficiar el desempeño de la pieza, pero durante el proceso de corte, la deformación elástica de la pieza de trabajo es una causa importante de vibración. La presión de corte hace que la pieza "elástica" se aleje de la herramienta y recupere su forma, causando más fricción entre la herramienta y la pieza de trabajo que acción de corte. El proceso de fricción también genera calor, agravando el problema de mala conductividad térmica de las aleaciones de titanio.

Este problema se agrava al mecanizar piezas deformables, como piezas delgadas o en forma de anillo, y mecanizar piezas delgadas de titanio hasta alcanzar la precisión dimensional deseada no es una tarea fácil. Cuando el material de la pieza es separado por la herramienta, la deformación local de la pieza delgada excede el rango elástico, resultando en deformación plástica y un aumento significativo en la resistencia y dureza del material en el punto de corte. En este momento, mecanizar a la velocidad de corte originalmente establecida resulta demasiado alta, causando aún más desgaste rápido de la herramienta.

¡"El calor" es el "culpable" de la dificultad para procesar aleaciones de titanio!

2. Conocimiento práctico para el mecanizado de aleaciones de titanio

Basado en la comprensión del mecanismo del mecanizado de aleaciones de titanio, junto con experiencias previas, las principales recomendaciones prácticas para procesar aleaciones de titanio son las siguientes:

(1) Utilizar plaquitas con geometría de ángulo positivo para reducir la fuerza de corte, el calor de corte y la deformación de la pieza.

(2) Mantener una alimentación constante para evitar el endurecimiento de la pieza, la herramienta siempre debe estar en estado de alimentación durante el proceso de corte, y la profundidad radial de corte ae debe ser del 30% del radio al fresar.

(3) Utilizar fluido de corte de alta presión y gran caudal para garantizar la estabilidad térmica del proceso de mecanizado y prevenir la degradación superficial y los daños a la herramienta causados por altas temperaturas.

(4) Mantener el filo de corte de la herramienta afilado, una herramienta roma es causa de acumulación de calor y desgaste, lo cual puede provocar el fallo de la herramienta.

(5) Mecanizar la aleación de titanio en su estado más blando posible, ya que el material endurecido se vuelve más difícil de mecanizar y el tratamiento térmico aumenta la resistencia del material y aumenta el desgaste de la plaquita.

(6) Utilizar radios grandes en la punta o chaflanes al iniciar el corte, introduciendo la mayor parte posible del filo de corte. Esto reduce la fuerza y el calor de corte en cada punto y evita roturas locales. Al fresar titanio, la velocidad de corte tiene el mayor efecto sobre la vida útil de la herramienta vc entre todos los parámetros de corte, seguida por la profundidad radial de corte (profundidad de fresado) ae.

3. Resolver los problemas del mecanizado del titanio desde el filo de la herramienta.

El desgaste de la ranura en la plaquita que ocurre durante el mecanizado del titanio se localiza detrás y en la parte frontal a lo largo de la profundidad de corte y suele ser causado por una capa endurecida dejada por mecanizados anteriores. Las reacciones químicas y la difusión entre la herramienta y el material de la pieza a temperaturas de mecanizado superiores a los 800 °C también contribuyen a la formación del desgaste de ranura. Durante el proceso de mecanizado, las moléculas de titanio de la pieza se acumulan en la parte frontal de la plaquita y son "soldadas" al filo de corte bajo alta presión y temperatura, formando un tumor de viruta. Cuando el tumor es eliminado del filo de corte, arrastra consigo el recubrimiento de carburo de la plaquita, por lo tanto, el mecanizado del titanio requiere materiales y geometrías especiales para las plaquitas.

4. Estructura de herramienta adecuada para el mecanizado del titanio

El punto clave en el mecanizado del titanio es el calor, y grandes cantidades de fluido de corte de alta presión deben ser inyectadas de manera oportuna y precisa sobre el filo de corte para eliminar rápidamente el calor. Existen configuraciones únicas de fresas en el mercado diseñadas específicamente para el mecanizado del titanio.