El fresado de cajeras de titanio, un reto muy duro
La industria aeronáutica utiliza frecuentemente titanio, sobre todo en piezas estructurales sometidas a grandes esfuerzos, en concreto: marcos de las puertas, soportes de los trenes de aterrizaje o accesorios del ala; todos estos componentes tienen un gran volumen de mecanizado, y no es raro que el volumen de viruta extraída supere al de la pieza acabada. Esto se debe principalmente al hecho de que un gran número de cajeras se fabrican de bloques sólidos. A menudo nos encontramos con cajeras; unas profundas y estrechas, cajeras de 5 ejes o triangulares, frecuentemente con paredes o suelos muy delgados, lo que hace que se presente un desafío para el fresado, que es la tecnología de mecanizado típica para este tipo de componentes estructurales. Las fresas de plaquitas y de metal duro son las que entran en juego en este proceso. La atención se centra en la seguridad de proceso, ya que estos componentes estructurales son extremadamente caros. Al mismo tiempo, la presión de costes del mercado exige un mecanizado de alta productividad y rendimiento.
Típico de los mecanizados en titanio es la baja conductividad térmica del material y su tendencia a vibrar, por lo que se requiere una máquina muy rígida y una preparación óptima del filo de corte. Dirk Masur, director de Componentes Aeroespaciales en Walter AG en Tübingen, Alemania, trabaja junto con sus colegas en los componentes de titanio y sus propiedades especiales sobre una premisa usual 'Centrarse en soluciones completas'. “Esto significa que nosotros coordinamos todos los aspectos; como es el diseño de herramienta, el programa CAM y la estrategia de mecanizado considerando la aplicación”. El resultado son conceptos de herramienta adaptados a tareas específicas de desbaste, semiacabado o acabado.
La nueva fresa M2131 está especializada en el mecanizado de alta velocidad, HSC, de materiales de aluminio.
Por último pero no por ello menos importante, según Masur, las estrategias de mecanizado seguras y fiables están basadas en procesos desarrollados durante décadas: “Ser parte de una red global es algo que consideramos extremadamente importante. Nuestra experiencia nace de en una intensa colaboración con nuestros clientes, universidades y fabricantes de máquina-herramienta. Juntos, estamos continuamente desarrollando las operaciones de mecanizado de componentes clave. Así es como nos aseguramos de que siempre estamos utilizando la tecnología más avanzada”.
En definitiva, los especialistas de Tübingen, proporcionan a sus clientes procesos a medida que permiten máximos volúmenes de mecanizado. La clave aquí es cuadrar los procesos con las características de las máquinas disponibles, por ejemplo, para obtener el máximo rendimiento incluso en aquellas máquinas de menor rendimiento. “las operaciones de mecanizado son simuladas y verificadas antes de la entrega”, Masur subraya, “esto significa que el usuario no tendrá sorpresas desagradables en términos de coste-eficacia o la seguridad de proceso”.
Dirk Masur, jefe de Componentes Aeroespaciales en Walter AG: “Nosotros nos focalizamos en soluciones completas”.
Prueba en titanio
Puesto que casi nunca hay componentes reales para probar en el mundo aeroespacial, y los componentes estructurales son de gran tamaño, los expertos de Walter han demostrado el rendimiento de las actuales generaciones de herramientas en un componente genérico. Este está hecho con el material disponible comercialmente Ti6Al4V (3.7164). Los expertos de Walter han diseñado una pieza con una gama de cajeras típicas similares a las que encontramos en piezas reales. Esto significa que los resultados de mecanizados pueden trasladarse directamente a los casos reales.
El planteamiento se basa en una tarea para cuatro herramientas. La fresa tangencial de erizo M3255, la fresa de planear de alto avance M4002 (para operaciones de desbaste), la fresa de metal duro integral Ti40 y la fresa modular de Conefit con la cabeza intercambiable Ti50 (operaciones de semiacabado y acabado). Esta es una combinación bastante real, como es por ejemplo cuando se mecanizan los trenes de aterrizaje. Tanto los recubrimientos como la macro y microgeometría de las dos herramientas de metal duro están diseñados específicamente para el mecanizado de titanio. Las fresas de plaquitas intercambiables M3255 y M4002 están hechas con el nuevo material WSM45X. El extremadamente duro recubrimiento CVD es muy adecuado para aplicaciones con los materiales ISO S e ISO M.
Las siguientes descripciones muestran ejemplos de parámetros de mecanizado y vida útil, que podrían ser implementados en el mecanizado de un componente genérico.
Los trenes de aterrizaje son típicos componentes estructurales de titanio en los aviones modernos.
1. M3255 fresa tangencial de erizo / D = 50, z = 5 / WSM45X:
Desbaste – cajera: 274 x 120 x 74 mm:
vc = 40 m/min, fz= 0,15 mm, ap= 37,0 mm (2 pasos), ae= 30,0 mm (pasadas concéntricas)
El resultado: Volumen de mecanizado: 212 cm³/min, vida-útil: 70 min (t/cajera: 14 min)
Cuando las cajeras o esquinas necesitan altos volúmenes de arranque de virutas, la fresa de erizo de Walter M3255 es la elección correcta, especialmente para materiales de titanio donde el mecanizado es difícil.
2. Ti50 ConeFit Prototyp / D = 25, z = 5 / cabeza intercambiable de metal duro:
Semi-acabado y acabado – cajera: 274 x 120 x 74 mm:
vc= 90 m/min, fz= 0,1 mm, ap= 16,0-22,0 mm (variable), ae= 3,7 mm (semiacabado), 0,3 mm (acabado)
El resultado: Volumen de mecanizado: 33 cm³/min, vida-útil: 60 min (t/cajera: 14 min)
3. M4002 Fresa de planear de alto avance / D = 50, z = 5 / WSM45X:
Desbaste – cajera: 254 x 127 x 42 mm:
vc= 60 m/min, fz= 0,7 mm, ap= 1,5 mm, ae= 50 mm
El resultado: Volumen de mecanizado: 93 cm³/min, vida-útil: 40 min (t/cajera: 10 min)
La M4002 es una fresa de alto avance adecuada para planear. El ángulo de las plaquitas de 15° y grado WSM45X hacen que sea una herramienta ideal para mecanizar cajeras en piezas de titanio.
Fresado con una diferencia: Fresado dinámico
Un muy buen ejemplo de un mecanizado inteligente es la estrategia de ‘fresado dinámico’ (HDC). Esto mejora tanto la rentabilidad como la fiabilidad del proceso. Con el fresado dinámico, las condiciones de mecanizado se mantienen constantes a lo largo del proceso, además de las fuerzas aplicadas en los filos de corte y la temperatura. Las correspondientes funciones son proporcionadas por un moderno software CAM. Ventajas: Mejor rendimiento y mayor fiabilidad de proceso. El compromiso constante de reducción de vibraciones da como resultado aumentar la vida útil debido a una reducción del desgaste. Esto hace aumentar los parámetros de corte y los volúmenes de mecanizado. Al mismo tiempo, la energía consumida por el husillo es menor. La fresa de metal duro integral Walter Prototyp Ti40 es perfecta para esta estrategia de mecanizado.
La Walter Prototyp Ti40 es la especialista de fresas de metal duro cuyo diseño especial la hace reducir vibraciones en el borde y ser muy adecuada para estrategias de corte dinámico.
4. Ti40 Prototyp / D = 20, z = 5 / fresa de metal duro integral Ti40 para materiales de titanio:
Corte dinámico, cajera triangular: 200 x 92 x 48 mm:
vc= 115 m/min, fz= 0,134 mm, ap= 47,5 mm, ae= 2 mm
El resultado: Volumen de mecanizado 139 cm³/min (t/cajera: 9 min)
La versión de Walter Prototyp Ti50 en versión Conefit es la solución flexible al semiacabado y acabado de componentes estructurales de titanio.
Ligereza de peso y alta resistencia – propiedades características de los materiales de titanio
Los materiales con titanio están clasificados dentro del grupo de materiales que son difíciles de mecanizar (ISO S). Estos tienen baja conductividad térmica, lo que hace que la carga térmica en los filos de la herramienta sea muy alta. Y tener un bajo módulo de elasticidad facilita las vibraciones durante el mecanizado.
El Ti6Al4V es el material de titanio más frecuente en la industria aeroespacial. Sin embargo, el Ti-5-5-5-3 y Ti 10-2-3 están usándose cada vez más, por ejemplo para los componentes de los trenes de aterrizaje. Ambos materiales tienen una mayor estabilidad térmica que el Ti6Al4V y sólo pueden mecanizarse con velocidades de corte reducidas.
Ti6Al4V Conductividad témica: 7,56 W/mK (acero Ck45: 51,9 W/mK)
Ti6Al4V Modulo de elasticidad:= 110 kN/mm2 (acero Ck45: 210 kN/mm2)
Ti6Al4V densidad = 4,4 g/cm3 (acero = 7,85 g/cm3)
Resistencia a la tracción Rm Ti6Al4V = 900 N/mm2
Usando una pieza genérica de Ti6Al4V, los expertos de aeroespacial en Walter han demostrado los procesos típicos del mecanizado de piezas estructurales.
¿Pero qué hay acerca del aluminio?
El aluminio forma parte de los materiales utilizados en la industria aeronáutica moderna. Continúa jugando un papel muy importante a pesar del creciente uso de composites. Esto en parte es debido al desarrollo de las nuevas aleaciones con propiedades mejoradas. La tendencia actual es hacia las aleaciones de aluminio-litio. Las aleaciones de Al-Li son más ligeras que otras aleaciones de aluminio y tienen un módulo de elasticidad más alto, característica apreciada por la industria aeroespacial. Las piezas fabricadas con estos materiales ligeros son parecidas a las que se hacen con titanio. Ambas tienen un gran número de cajeras y consecuentemente generan gran cantidad de virutas. La diferencia principal es que el mecanizado de aluminio es un proceso HSC (Corte de Alta velocidad o High Speed Cutting). Aquí, ya no hablamos de materiales ‘difíciles de mecanizar’ o ‘condiciones de corte reducidas’; bien al contrario, valores Vc por encima de 3.000 m/min no son raros. Por otro lado, de las velocidades de corte demasiado bajas resultan formaciones de material adherido en los filos de corte, lo que se disminuye la vida de la herramienta. De la misma forma que con el mecanizado con titanio, trabajar con aluminio también requiere un gran conocimiento para obtener una buena rentabilidad y seguridad de proceso. También en este caso, la atención se centra en soluciones completas adaptadas a cada situación; con concepto de herramienta y operaciones optimizadas a la máquina para trabajar el aluminio. Por esta razón Walter ha introducido recientemente una fresa especializada para el aluminio que se adapta perfectamente a los requisitos de la industria aeronáutica. La fresa para el fresado en rampa M2131 con plaquitas a 90° es especial para el fresado en rampa de las cajeras. Walter fabrica los cuerpos de estas fresas con la máxima concentricidad posible y protección de las plaquitas contra la fuerza centrífuga. La fresa viene también preequilibrada. Todo ello garantiza una alta estabilidad del proceso en mecanizados HSC.
Sin embargo, lo más destacado de la nueva herramienta es el grado de las plaquitas, el WNN15, que es una nueva variante de PVD cuya fabricación usa el método ‘HiPIMS’. ‘HiPIMS significa High Power Impulse Magnetron Sputtering – Pulverización por magnetrón de alta potencia’. El hecho especial es el proceso de recubrimiento físico que hace que el recubrimiento PVD sea fino y resiliente. El beneficio de esta nueva variante es la alta reducción de la fricción, lo que disminuye el material adherido a los filos de corte. Esto proporciona una alta resistencia al desgaste en la cara del flanco y una alta estabilidad en el filo de corte. “Las pruebas confirman las ventajas tecnológicas de las nuevas plaquitas en comparación con otros tipos estándar” explica Wolfgang Vörst, jefe de Producto en Fresado de Walter AG, en Tübingen. Nuestros técnicos de aplicación han obtenido incrementos de vida útil de un 200% de forma fácil. En algún caso se ha un exitoso incremento del 400%.
