Desarrollos de fresado para el mecanizado de titanio

No obstante, nuevos desarrollos de herramientas y procesos están proporcionando a este, cada vez más útil, diseño nuevas posibilidades para optimizar la economía del mecanizado.

Las propiedades físicas, químicas y térmicas del titanio lo convierten en un material extremadamente exigente a la hora de mecanizar. Existen una serie de aleaciones de titanio, con diferentes propiedades, cuya maquinabilidad varía considerablemente: desde la tradicional aleación Ti6Al4V hasta aleaciones más resistentes como Ti10-2-3 y, en la actualidad, Ti5553. Entre las principales características del mecanizado del titanio se encuentra el riesgo de desgaste de la herramienta, como consecuencia de las altas temperaturas a las que se expone el filo de corte (se absorbe más calor porque el titanio es un mal conductor térmico).

El desgaste o la rotura de la herramienta también son frecuentes debido a la tendencia al embazado del titanio, que es reactivo con los materiales de la herramienta. El embazado se produce cuando la viruta se suelda a la plaquita provocando fisuras en el filo al volver a entrar en el corte. Otras características problemáticas son la tendencia a la flexión o vibración, debido a la elasticidad del titanio, y el peligro de un rápido desgaste de la herramienta, debido a la alta presión localizada y al calor que se genera en la superficie de contacto.

Existen una serie de reglas generales para el mecanizado del titanio que pueden ayudar a superar estas exigentes características: utilice velocidades de corte relativamente bajas, así como agudos filos de corte; optimice las velocidades de avance y evite las paradas durante el corte; utilice gran cantidad de refrigerante; sustituya los filos de corte al primer signo de desgaste; y emplee el método de fresado a favor (en concordancia) siempre que sea posible.

La característica compartida por todas las operaciones de mecanizado de aleaciones de titanio es la necesidad de una mayor y más detallada planificación, desde la selección de la máquina indicada para el trabajo hasta la programación de los datos de corte. Tanto el tamaño como la forma de las características de la pieza varían, por lo que también lo hacen las exigencias relativas a la selección de la máquina, al dispositivo, al suministro de refrigerante, a las herramientas, al método y a los datos de corte.

El primer factor determinante es el tamaño y la forma de las configuraciones, así como el tamaño adecuado de la herramienta. Las fresas de plaquita intercambiable eliminan el material de la manera más eficiente y, hoy en día, se consideran la primera elección para las operaciones de desbaste, a la vez que imbatibles cuando se trata del acabado de grandes superficies planas. Las fresas enterizas de metal duro son la solución indicada para las operaciones de semiacabado y acabado, y cuando los radios, las cavidades y las ranuras son demasiado pequeñas para las herramientas de plaquita intercambiable. Tienen la ventaja de disponer de una gran cantidad de canales de desahogo y una gran capacidad de corte axial.

Para empezar, la selección de una fresa especializada para el titanio debe basarse en las opciones de programación necesarias. Para el titanio, las características básicas de la herramienta siempre incluyen un ángulo de desprendimiento relativamente positivo con un agudo pero resistente filo de corte en una calidad de metal duro. Éstas características le proporcionan a la herramienta la resistencia necesaria para resistir las especiales exigencias térmicas y químicas del titanio. La tecnología de plaquita intercambiable ha avanzado considerablemente en lo que se refiere a geometría y material de la herramienta, y están ganando terreno como la solución más eficiente y rentable con respecto a la gran variedad de opciones de herramientas enterizas de metal duro y HSS disponibles, incluso para herramientas de tamaño mediano a grande. Hasta hace poco, el progreso en el mecanizado del titanio parece no haber sido muy espectacular, pero, ahora, una serie de innovadores desarrollos han optimizado el rendimiento del fresado.

Debido a la naturaleza de los típicos componentes aeroespaciales, el fresado radial es un método de mecanizado muy apropiado para el titanio. Las piezas, frecuentemente, presentan varias escuadras, esquinas, perfiles y cavidades, que, a menudo, deben mecanizarse a partir de piezas en bruto. No obstante, una gran profundidad de corte radial puede reducir de forma considerable la vida útil de la herramienta, mientras que una gran profundidad de corte axial tiene relativamente poca influencia en la temperatura de corte y, por tanto, no afecta a la vida útil de la herramienta de la misma manera. Por ello, una fresa de paso reducido de filo largo con un empañe radial de un 30% y tanto empañe axial como permita la aplicación es la manera más efectiva de mecanizar el titanio.

Éstas se componen de múltiples filas de plaquitas que reproducen el filo rectificado continuo de las fresas enterizas de metal duro. Acomodar las plaquitas intercambiables para formar una fila desde la base de la fresa ascendiendo a lo largo de la periferia, hasta ahora, había supuesto una limitación a la hora de conseguir una capacidad y seguridad de mecanizado aceptables en las operaciones de mecanizado de titanio. Los amplios canales de desahogo son necesarios para proporcionar una eficiente evacuación de viruta y, en combinación con la construcción de filas efectivas de agudas plaquitas positivas en la fresa, han creado escollos para la fresa de plaquita intercambiable de filo largo.

Los filos de corte, precisa y firmemente, posicionados para resistir las fuerzas axiales creadas por la espiral son clave en las operaciones de fresado de titanio. Cualquier movimiento, incluso en las operaciones de desbaste, puede conllevar un desgaste no uniforme y poner en peligro el filo de corte o incluso causar una ruptura del tornillo, provocando así un error catastrófico. El soporte axial para las plaquitas es especialmente difícil de conseguir a lo largo de una fila completa de plaquitas sucesivas estrechamente situadas y puede provocar una dependencia excesiva del tornillo de la plaquita.

La mejor manera de conseguir excelentes niveles de rendimiento en el fresado con filo largo es disponer de un adaptador fiable entre la plaquita y el cuerpo de la herramienta, como el ofrecido por la fresa de filo largo CoroMill 690. Aquí, el alojamiento de la plaquita dispone de un soporte y una sujeción con función de bloqueo firmes en lo referente a las fuerzas axiales y de giro. Esta posición de la plaquita proporciona la capacidad de operar con una alta velocidad de arranque de viruta y permite disponer de espaciosos desahogos para la evacuación de viruta. Además, se puede proporcionar una amplia gama de dientes para el mismo diámetro de herramienta al disponer de una selección de tamaños de plaquitas para hacer frente a las diferentes operaciones. Un paso más reducido de plaquita proporciona variables para mejorar la productividad a través de la velocidad de avance.

El refrigerante aplicado a alta presión, a través del husillo y de la herramienta, durante el mecanizado de titanio, afecta a la distribución térmica, a la formación de viruta, a la soldadura en los filos de corte, al desgaste de la herramienta y a la integridad superficial; lo cual marca la diferencia. La aplicación de refrigerante a alta presión, desde una presión estándar de 70 a 100 bares, ha mostrado proporcionar claras ventajas en las operaciones de fresado de titanio. Puede adaptarse fácilmente a la máquina-herramienta a través del sistema portaherramientas Coromant Capto, un estándar ISO. El refrigerante a alta presión es una característica estándar en muchas de las máquinas actuales y, como tal, es una fuente potencial para optimizar el fresado de titanio.

Cuando la aplicación implica cavidades estrechas y profundas que requieren un gran alcance de herramienta, se necesita una solución para una capacidad de herramienta reducida y flexibilidad operacional. La sujeción de una fresa enteriza de metal duro en un adaptador portapinzas para mecanizar el fondo de una cavidad no proporciona toda la estabilidad necesaria. En estas situaciones, los datos de corte se ven limitados y se puede llegar poner en peligro la calidad final del componente. No obstante, el concepto de fresa de cabeza intercambiable proporciona las ventajas tanto de la ajustabilidad como de la capacidad de acabado de las fresas enterizas de metal duro.

Desde la perspectiva de la capacidad de rendimiento, los resultados, los costes y los requisitos de flexibilidad, un sistema de cabeza intercambiable supone una gran ventaja en el área de diámetros de herramienta de 10 a 25 mm. Este concepto y el inventario reducido de herramientas ofrecen una gran flexibilidad. La capacidad de acabado es superior a la de las fresas de plaquita intercambiable y representa un coste considerablemente inferior al de una fresa enteriza de metal duro, además de no necesitar ser reacondicionada por la pérdida de tamaño. Además, la capacidad de seleccionar diferentes combinaciones de cabeza y mango proporciona un alto grado de flexibilidad y amplias posibilidades de optimización.

Un generoso soporte frontal axial, un soporte frontal radial cónico y un soporte de desarrollo especial de rosca y tornillo, como el de la fresa de cabeza intercambiable CoroMill 316, proporcionan el acoplamiento necesario entre la cabeza y el mango, así como la base para un buen rendimiento con grandes voladizos.

Algunas de las normas generales del planeado son muy recomendables, en particular, las referentes al posicionamiento de la fresa en relación con la pieza de trabajo; el diámetro de la fresa en relación con la anchura de la pieza de trabajo; y el fresado en concordancia (a favor) con viruta de fina a gruesa. También requiere especial atención la entrada y salida de la fresa en la pieza de trabajo. La fresa debe mantenerse en una trayectoria que proporcione un contacto total, mejor que realizar múltiples pasadas, al realizar operaciones de fresado en amplias superficies y, si es posible, se deben evitar los cortes interrumpidos, realizando los agujeros y las cavidades después de las operaciones de planeado. En lo referente al tipo de fresa para planear, una fresa de plaquita redonda como CoroMill 300 es, a menudo, la primera elección, dada la resistencia y la geometría de su filo de corte. Hay disponibles fresas con tamaños de plaquita hasta 25,4 mm, lo que proporciona altas velocidades de arranque de viruta. El tamaño empleado es un equilibrio entre la profundidad de corte requerida, la característica a mecanizar y la capacidad de la máquina-herramienta. Esta es una fresa muy eficiente y fiable para el desbaste y el semiacabado, capaz también de mecanizar cavidades a través de interpolación helicoidal. Altas velocidades de arranque de viruta, prolongada vida útil de la herramienta y gran seguridad son algunas de las potenciales ventajas proporcionadas por este tipo de fresa. El filo de corte extra largo distribuye el desgaste y contribuye a prolongar la vida útil de la herramienta.

El ángulo de penetración de la fresa de plaquita redonda es variable y, como la fresa de planear de 45°, proporciona un efecto de adelgazamiento de viruta beneficioso para aumentar la velocidad de avance. No obstante, debido a las altas fuerzas de corte, se debe prestar especial atención a la potencia y al par de apriete al mecanizar titanio. La resistencia a la tracción de la aleación, el empañe de la fresa, la velocidad de avance y el número de dientes al mecanizar son especialmente importantes cuando se trata de operaciones de desbaste con fresa de planear en titanio.

Una fresa con un ángulo de entrada muy reducido (10°) puede proporcionar un efecto incluso mayor de adelgazamiento de la viruta, y con ello ofrece aun mayores velocidades de avance. En combinación con una profundidad de corte reducida, el fresado a alta velocidad de avance puede ser un método de mecanizado muy efectivo y no supone una potencia y un par de apriete muy elevados. Asimismo, se pueden conseguir altas velocidades de arranque de viruta en máquinas más pequeñas y de menor potencia.

Una fresa de alta velocidad de avance de 10°, como CoroMill 210, con una plaquita cuadrada, también tiene otro uso ventajoso para el mecanizado de titanio: el fresado axial. En este caso, la fresa avanza axialmente penetrando de forma repetida en el material. La fuerza de corte dominante se dirige hacia arriba, hacia el husillo de la máquina, y, por ello, es fácil de contrarrestar. Con este grado de estabilidad, la fresa también es indicada para grandes voladizos. Esto hace de la fresa CoroMill 210 una herramienta de desbaste muy versátil, capaz de conseguir una alta velocidad de arranque de viruta para el mecanizado frontal, de escuadras y de cavidades, especialmente en situaciones inestables.