Mecanizado de Materiales Exóticos para la Industria Aeronáutica
La continua búsqueda de aeronaves más ligeras y motores más eficientes ha llevado al desarrollo de nuevas calidades de materiales, como las nuevas aleaciones con base níquel, aleaciones de titanio, materiales compuestos y aleaciones de aluminio de alta resistencia.
Los metales aeroespaciales ligeros y resistentes son difíciles de mecanizar, pero son populares debido a sus propiedades básicas, ligereza y resistencia, los hace ideales para esta industria. Los fabricantes de herramientas para el corte de metal realizan avanzadas búsquedas en este campo para obtener nuevos procesos de mecanizado para una mayor productividad.
Los cálculos de maquinabilidad de estos materiales en relación con desgaste de la herramienta, productividad, índice de extracción de metal, fuerzas de corte, evacuación de viruta e integridad de la pieza ofrecen escasos resultados. Por lo general, el mecanizado de un componente de una aleación avanzada puede ser de diez a cinco veces más costoso que el de un material estándar, ya sea férrico o no.
Esto se refleja en una menor productividad, la necesidad de disponer de un herramentaje específico, una maquinaria de gran especificación, fluidos de corte y sistemas avanzados de suministro del mismo, elevadas cualificaciones de los operarios y procedimientos de calidad cada vez más estrictos. Mientras que los composites con matriz de metal reforzada con fibra de carbono pueden mecanizarse eficazmente con herramientas de metal duro y PCD, es difícil obtener una solución para las aleaciones de Ni y Ti.
Las súper aleaciones con base níquel aparecieron a principios de los años 40 y evolucionaron lentamente con el desarrollo de las turbinas de gas y la imperiosa necesidad de soportar elevadas temperaturas y tensiones. Este grupo incluye nimonics, renes, inconels, incoloys, hastelloys, waspaloys y udimets, en una gama de 150 a 450 HV dependiendo del tratamiento térmico. Las súper aleaciones suponen alrededor del 50% del peso de los motores en aviación y ofrecen elevada resistencia a la oxidación, corrosión y deformación, manteniendo la resistencia incluso hasta 1000ºC.
Las aleaciones de titanio surgieron para aplicaciones en motores de aviación en los años 50, se empezaron a utilizar en góndolas y cortafuegos y más tarde en discos, álabes y carcasas de compresores. Las aleaciones de titanio son más ligeras que las de níquel. La calidad más habitual es Ti-6Al-4V, que abarca un 50% de la producción total de aleaciones de Ti, es la mitad de densa que el inconel 718 y representa aproximadamente un tercio del peso total del motor.
Aleaciones de Níquel
Las aleaciones de níquel son tenaces y al mismo tiempo adhesivas, con gran resistencia a la temperatura y al desgaste. Desde el punto de vista de la maquinabilidad, las aleaciones de níquel tienden a endurecerse rápidamente. La elevada presión producida durante el mecanizado origina elevadas cargas por diente, así como el recrecimiento del filo. El fenómeno del endurecimiento tiene un efecto adverso en el proceso de mecanizado, ralentizándolo, llegando incluso a deformaciones importantes en el caso de piezas pequeñas. La mejor opción es mecanizar una pieza en condiciones de estirado en frío con atenuación de tensiones. El laminado en caliente no es tan buena alternativa, siendo el recocido la opción menos recomendable para la mayor parte de aplicaciones.
En términos generales, las herramientas de corte con desprendimiento positivo son las idóneas para mecanizar este tipo de materiales, ya que literalmente cortan el material en lugar de deformarlo hacia delante. Para conseguir el corte ideal, es fundamental aplicar el avance y la profundidad de corte correctos, así como seleccionar la mejor geometría de la herramienta para evitar la fricción. Incluso aplicando las mejores condiciones, pueden aparecer tensiones que deformen la pieza. El mejor sistema para una máxima estabilidad dimensional es realizar una operación de desbaste para mitigar las tensiones, y después una de acabado. Es importante tener en cuenta que el alivio de tensiones tiene muy poco efecto sobre las dimensiones, pero puede afectar a las propiedades mecánicas.
Cuando se mecaniza Inconel es casi imposible obtener viruta discontinua o fragmentarla en pequeños trozos. Esto es debido a la elevada resistencia al desgaste del material. En consecuencia se produce un importante incremento de la temperatura en la zona de corte. Durante la operación, cuando existe un contacto continuo entre herramienta y material (por ejemplo, en aplicaciones de fresado de ranuras), el calor y la presión generados pueden ocasionar la deformación plástica del filo de corte. Por tanto, un filo de corte vivo minimiza las tensiones en la pieza y mejora la formación de viruta.
La rigidez del sistema de fijación y la eficacia de la refrigeración en el filo de corte son también factores fundamentales. Una velocidad de corte demasiado baja puede llevar al recrecimiento del filo, fenómeno que tiene un efecto directo sobre la herramienta, reduciendo su duración significativamente. La combinación de índices de avance más ligeros con un estrecho control de la velocidad de corte ofrece muy buenos resultados, cuando se utilizan fresas de más de cuatro dientes, con unos índices de extracción de metal más elevados sin aumentar la carga por diente ni las tensiones en el material.
Fluidos de Corte
Para aplicaciones de fresado y torneado a gran velocidad se recomiendan fluidos con base acuosa, debido a su gran capacidad de refrigeración. Pueden ser aceites solubles o soluciones químicas. Para operaciones más lentas, como taladrado, mandrinado, roscado y brochado, se necesitan lubricantes pesados y mezclas muy ricas de soluciones químicas. Las unidades de refrigeración a alta presión son la solución definitiva para mejorar el rendimiento del refrigerante y permitirle alcanzar la zona de corte para una buena evacuación de viruta. El constante flujo de refrigerante y un perfecto direccionado mantienen controlada la temperatura de la zona de corte.
Torneado
Las herramientas de torneado de una sola punta para mecanizar aleaciones de níquel deben tener ángulos de desprendimiento positivo, para cortar el metal y no arrancarlo, como ocurriría si se utilizaran ángulos de desprendimiento negativo.
Otra función del ángulo de desprendimiento es alejar la viruta de la superficie ya mecanizada. Debe ser lo suficientemente grande para que hay espacio, y lo bastante pequeño como para que proporcione el soporte adecuado al filo de corte.
El radio de arista, que une el extremo y los laterales del filo de corte, la refuerza debe ayudar a disipar el calor generado durante el mecanizado
Control de Viruta
Las aleaciones de níquel presentan el mínimo problema de evacuación de viruta cuando se utilizan herramientas de metal duro con los rompevirutas adecuados.
Los filos deben tener los ángulos de desprendimiento adecuados para la aleación y deben ser lo suficientemente anchos y profundos para fragmentar la viruta sin forzarla ni aglomerarla. Con este sistema, los ángulos de desprendimiento de la herramienta son superficies planas que finalizan en el rompevirutas. El radio entre el obstáculo del rompevirutas y el plano del ángulo de desprendimiento debe ser pequeño. Un radio suave y pequeño con un ángulo adecuado evita que la viruta se adhiera al rompevirutas. Es importante evitar la adherencia. Las dimensiones del rompevirutas dependen del índice de avance aplicado.
Fresado
Los requisitos fundamentales para fresado son precisión y acabado uniforme. Por tanto es indispensable tener herramientas con filos vivos y máquinas y fijaciones rígidas. Debido a que el fresado implica un corte interrumpido, es importante que el avance y la velocidad sean correctos. Un avance demasiado ligero, casi rozando la superficie sin el suficiente espesor de viruta, ocasionará un endurecimiento excesivo de la superficie.
Es preferible utilizar fresado descendente, ya que se evita la fricción e impacto en el inicio del mecanizado. Además, el movimiento descendente aumenta la rigidez y disminuye la vibración. La única desventaja es la necesidad de controlar el posible huelgo de la mesa.
El fresado frontal es preferible al fresado tangencial con fresa de tipo rodillo, ya que se reduce el endurecimiento y la vibración. Los problemas de viruta en fresado son los mismos que en torneado. Las fresas estándar disponen en general de espacio suficiente para la evacuación de viruta. Las fresas para aplicaciones pesadas con desprendimiento radial positivo y axial a 45º son las más adecuadas para fresado de desbaste de todas las aleaciones. Las fresas, de metal duro integral o no, para aplicaciones ligeras con desprendimiento radial positivo y labios helicoidales con desprendimiento axial son la mejor opción para las aleaciones de mayor resistencia dentro de este grupo. La velocidad de corte es baja y la carga de virutas ligera. Para aplicaciones de acabado en todas las aleaciones, las fresas deben tener una hélice pronunciada, desprendimiento radial positivo y labios helicoidales.
Las fresas para desbaste, con dientes alternos a la hélice opuesta, son idóneas para aplicaciones de fresado de ranuras.
Titanio
Algunos elementos presentes en las aleaciones de titanio, como cromo, hierro, molibdeno, manganeso y vanadio, tienen una influencia negativa en la maquinabilidad, siendo necesario calcular los parámetros de corte específicos para cada aleación. Las tres fases básicas del titanio son alfa, alfa-beta y beta, en función de su estructura metalúrgica y en orden ascendente de dificultad de ser mecanizado. En aplicaciones aeroespaciales se tiende a utilizar materiales beta.
Clasificación de las Aleaciones de Titanio:
Tipos de estructuras de las aleaciones de titanio:
• Aleación alfa – con óxido y/o nitruro de aluminio
• Aleación beta – con molibdeno, ferrita, vanadio, cromo y/o manganeso.
• La mayor parte de las aleaciones de titanio son una combinación de aleaciones a + ß , incluyendo Ti-6Al-4V y Ti5553.
Mecanizado de Aleaciones de Titanio
Para el mecanizado general se recomiendan condiciones similares a las aplicadas para aleaciones de níquel. El calor generado durante el mecanizado puede causar un endurecimiento en la superficie del material que ocasionaría un fallo prematuro de la herramienta. El calor generado se localiza en la zona de corte, aumentando el desgaste de la herramienta a medida que aumenta la velocidad de corte.
Además, la naturaleza altamente reactiva del titanio implica un desgaste tipo disolución, donde los elementos de la herramienta se mezclan con la viruta.
Además, la propia naturaleza del titanio es más elástica que la del acero, por lo que se deben utilizar las fijaciones adecuadas y geometrías de corte vivas y agresivas para evitar vibraciones incluso con bajas cargas de corte.
Estas limitaciones obligan a utilizar herramientas con geometrías muy positivas y filos de corte vivos, poniendo más énfasis en el avance que en la velocidad de corte. Estas condiciones garantizan los mejores resultados en cuanto a productividad y acabado superficial. Los portaherramientas rígidos son también esenciales para evitar vibraciones y, como en aleaciones de níquel, es necesario utilizar grandes cantidades de refrigerante, dirigido a presión al filo de corte. El flujo de refrigerante a presión mejora la evacuación y el control de virutas y disipa el calor.
Fuente: ISCAR Ibérica S.A.
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