Mecanizado del titanio: por qué es difícil y cómo se gestiona

Qué hace que el titanio sea diferente de cortar

La dureza del material es solo una parte del problema y, a menudo, una parte menor. Los factores determinantes son químicos, físicos y mecánicos al mismo tiempo.

• Un coeficiente de deformación bajo. La viruta es delgada y el coeficiente de deformación está cerca de la unidad, por lo que la viruta se desliza una gran distancia a lo largo de la cara de incidencia y el desgaste abrasivo se acelera.
• Calor que no tiene a dónde ir. La conductividad térmica del titanio es una pequeña fracción de la del acero, y la longitud de contacto entre la viruta y la herramienta es muy corta. El calor generado en el corte no se escapa hacia la viruta ni hacia la pieza; se concentra en la zona de corte y en el filo. Bajo condiciones equivalentes, la temperatura de corte puede ser mucho más alta que al cortar acero.
• Un área de contacto pequeña que soporta una carga grande. Debido a que la longitud de contacto es corta, la presión unitaria sobre el área de contacto es alta. Eso es lo que produce astillado y deterioro de los bordes incluso cuando la fuerza total de corte es menor que la del acero.
• Un módulo elástico bajo. El titanio se desvía bajo la fuerza de corte, lo que genera vibración, aleja la pieza de trabajo de la herramienta y degrada la precisión dimensional. Las paredes delgadas y los ejes esbeltos la amplifican.
• Endurecimiento por trabajo y una piel contaminada. El titanio reacciona fácilmente con el oxígeno y el nitrógeno a la temperatura de corte para formar una capa superficial dura y quebradiza, y la deformación plástica se suma a ello. La capa dura reduce la resistencia a la fatiga y acelera el desgaste de la herramienta. La forja, el laminado y la fundición dejan una capa dura y desigual que es el material más difícil de eliminar de la pieza.
• Afinidad química. El titanio tiende a adherirse y desgastarse contra los materiales de las herramientas de corte, produciendo desgaste adhesivo y por difusión. A bajas velocidades de avance se desgasta el filo secundario; a velocidades de avance más altas se desgasta la cara de corte; y en el torneado la cara de corte puede desgastarse más rápido que el filo secundario.

Opciones de herramientas que siguen

Dos objetivos gobiernan la selección de herramientas: mantener baja la temperatura de corte y reducir la adhesión.

• Usa carburo, no acero de alta velocidad. El acero de alta velocidad no tiene la dureza en caliente para el titanio. Los grados de carburo con buena dureza en caliente, resistencia a la ruptura transversal y conductividad térmica, y baja afinidad por el titanio, son los predeterminados.
• Evite los recubrimientos y grados que sean afines al titanio. Los insertos recubiertos y los grados que reaccionan fuertemente con el titanio aceleran el desgaste adhesivo y son una mala elección para el titanio.
• Para herramientas complejas de múltiples filos — brocas, escariadores, fresas de extremo, brochas y machuelos — la ruta habitual es un acero rápido de alto vanadio, alto cobalto o alto contenido de aluminio, que equilibra la tenacidad del filo con la resistencia al calor.
• Diamante y nitruro de boro cúbico producen grandes ganancias donde la geometría lo permite, y se utilizan con y sin refrigerante dependiendo de la operación.

Decisiones de proceso

• Fuerza de sujeción. Debido a que el módulo elástico es bajo, la pieza de trabajo se deforma tanto bajo sujeción como durante el corte. La presión de sujeción debe mantenerse tan baja como sea seguro, añadiendo soportes auxiliares donde de otro modo se movería una sección delgada.
• Rigidez de todo el sistema. La desviación radial produce vibración, lo que desgasta la herramienta y arruina la tolerancia. La máquina, el portaherramientas y la pieza de trabajo deben actuar como una cadena rígida; una pieza delgada necesita un soporte estable en movimiento o equivalente.
• Avance y velocidad. Avances muy ligeros y velocidades muy altas promueven el roce, la acumulación de calor y el desgaste. Un avance más pesado que mantiene el filo cortando en lugar de rozando es generalmente más estable, y el grosor de las virutas se maneja deliberadamente para que las virutas finas no se conviertan en un peligro.
• Gestión de virutas y riesgo de incendio. Las virutas finas de titanio pueden incendiarse. Las precauciones estándar incluyen inundar con refrigerante, eliminar las virutas de la máquina en lugar de dejarlas acumular, cambiar las herramientas tan pronto como se emboten y reducir la velocidad en favor de la alimentación. Si comienza un incendio de virutas de titanio, debe ser sofocado: el agua lo acelera, y usar un extintor a base de agua, o de dióxido de carbono o tetracloruro de carbono, es peligroso. El polvo seco, el polvo de piedra caliza o la arena seca son los medios correctos.

Reglas de contaminación

Esto no es limpieza opcional. Son la razón por la cual las piezas de titanio que salen de un taller que también corta acero necesitan una disciplina separada.

1. Ningún refrigerante que contenga hidrógeno de una manera que pueda ser absorbida. A temperatura de corte, se puede liberar hidrógeno, ser absorbido por el titanio y causar fragilización por hidrógeno — o contribuir a la corrosión por esfuerzo.
2. El refrigerante que contiene cloruro debe manejarse con cuidado. Los cloruros pueden descomponerse o liberar vapores peligrosos durante su uso, requieren medidas de protección, y la pieza debe limpiarse posteriormente a fondo con un limpiador libre de cloruros para eliminar todos los residuos.
3. No plomo, zinc, cobre, estaño ni cadmio, ni sus aleaciones, en contacto con el titanio. Está prohibido el uso de herramientas, dispositivos y equipos de manipulación hechos de esos materiales en contacto con trabajos de titanio.
4. Todo lo que toque la pieza debe estar limpio. La grasa y la contaminación por huellas dactilares en una pieza de titanio limpia pueden posteriormente provocar corrosión por tensión inducida por cloruros, por lo que la limpieza debe ir seguida de un manejo controlado.

Cómo se maneja esto aquí

El mecanizado se realiza por Baoji Tuohang Precision Manufacturing Co., Ltd. en equipos de 5 ejes simultáneos, 4/3 ejes y torneado, con sondeo en proceso y verificación CMM contra el plano. Debido a que la calidad en el plano determina el comportamiento de corte, cotizamos la calidad y el proceso juntos en lugar de tratar el material como algo dado.