Mecanizado de titanio: desafíos, herramientas y consejos

El titanio es un excelente material de mecanizado con una amplia variedad de propiedades, preferido para el mecanizado CNC por su excelente resistencia a la corrosión, resistencia al calor, durabilidad y buena biocompatibilidad para una amplia gama de aplicaciones aeroespaciales y médicas. Este artículo aborda conocimientos importantes sobre el mecanizado de titanio, incluida la forma de elegir herramientas, por qué el titanio es difícil de mecanizar, consejos para el mecanizado CNC de titanio y sus aplicaciones.

¿Qué es el titanio?

El titanio es un metal de transición con un brillo blanco plateado que se descubrió en Inglaterra en 1791. Dos de las características más importantes del titanio son su relación resistencia-peso y su resistencia a la corrosión. Además, tiene una excelente biocompatibilidad y es inofensivo incluso cuando se utiliza en grandes cantidades, lo que lo hace valioso en el campo médico. En la fabricación, el titanio suele alearse con aluminio, vanadio, circonio y molibdeno.

¿Por qué elegir titanio para piezas de mecanizado CNC?

Aunque el mecanizado del titanio es costoso, sigue siendo un material de fabricación popular. A continuación se presentan las principales ventajas del titanio como material de mecanizado:

Resistencia a la corrosión: El titanio reacciona fácilmente con el oxígeno para formar una fina capa de óxido en su superficie, lo que le confiere una resistencia natural a la corrosión.

Relación resistencia-peso: La densidad del titanio es de 4,51 g/cm3, un 57 % de la del acero, lo que lo hace menos denso; el titanio pesa menos del doble que el aluminio y es tres veces más resistente.

Biocompatibilidad: El titanio tiene una alta biocompatibilidad. En el cuerpo humano, puede resistir la corrosión de las secreciones y no es tóxico, lo que lo convierte en un material ideal para la industria médica.

Durabilidad: El titanio tiene una resistencia muy alta; la resistencia específica de la aleación de titanio es 3,5 veces la del acero inoxidable, 1,3 veces la de la aleación de aluminio y 1,7 veces la de la aleación de magnesio.

No magnético: el titanio no es magnético, no se ve afectado por interferencias magnéticas y es un material importante para escáneres médicos, aeronaves, satélites y radares.

¿Por qué mecanizar titanio con CNC?

Debido a las características de la aleación de titanio, como su alta resistencia y baja conductividad térmica, existen problemas como la dificultad de corte y mecanizado, la baja eficiencia de mecanizado y el grave desgaste de las herramientas, por lo que el costo de producción es elevado. Sin embargo, con la mejora continua de la tecnología de procesamiento de corte, rectificado y conformado CNC, el costo sigue disminuyendo, y el proceso de mecanizado CNC, maduro y de alta precisión, sigue siendo el método principal actual para procesar aleaciones de titanio.

¿Por qué es difícil mecanizar el titanio?

Concentración de temperatura

La conductividad térmica de la mayoría de las aleaciones de titanio es muy baja, solo 1/7 de la del acero, 1/16 de la del aluminio y 1/25 de la del cobre. Por lo tanto, el calor generado durante el corte de las aleaciones de titanio no se transfiere rápidamente a la pieza ni es evacuado por las virutas, sino que se concentra en la zona de corte.

La temperatura generada en la punta de la herramienta puede alcanzar los 1.000 °C, lo que provoca un rápido desgaste y agrietamiento del filo de la herramienta y la acumulación de virutas, acortando la vida útil de la herramienta.

Deformación elástica

El módulo de elasticidad de la aleación de titanio no es muy alto; por ejemplo, el módulo de elasticidad del Ti-6Al-4V (titanio grado 5) es de solo 110 GPa, mientras que el módulo de elasticidad del acero 45 es de 210 GPa, y el módulo de elasticidad de aceros inoxidables como el 304 y el 316 también ronda los 200 GPa. Por lo tanto, es fácil que se produzca deformación elástica al mecanizar aleaciones de titanio.

Vibración

La elasticidad de las aleaciones de titanio puede ser beneficiosa para el rendimiento de la pieza, pero la deformación elástica de la pieza durante el proceso de corte es una causa importante de vibración.

El mecanizado de aleaciones de titanio genera aproximadamente 10 veces más vibración que el acero. Como el calor del corte se concentra en la sección de corte, se producen virutas dentadas y se generan fluctuaciones en la potencia de corte.

Consejos útiles para el mecanizado de titanio

Refrigeración

Utilice refrigerante para reducir las altas temperaturas de corte. El refrigerante de aceite insoluble es adecuado para el corte pesado a baja velocidad, y el refrigerante de corte soluble es adecuado para el corte a alta velocidad. Los métodos de corte a baja temperatura, como el uso de nitrógeno líquido (-180 °C) o CO2 líquido (-76 °C) como fluido de corte, pueden reducir eficazmente la temperatura de la zona de corte, mejorar la calidad de las superficies mecanizadas y prolongar la vida útil de las herramientas de corte.

Selección de herramientas de corte adecuadas

La selección de herramientas de corte adecuadas puede mejorar significativamente la eficiencia del mecanizado. Dado que el calor de la aleación de titanio se disipa principalmente a través del filo y el refrigerante, en lugar de evacuarse con las virutas como en el caso del acero, la diminuta parte del filo debe soportar grandes tensiones térmicas y mecánicas. Mantener el filo afilado reduce las fuerzas de corte. Cuando sea necesario, pueden utilizarse herramientas recubiertas para minimizar la adherencia de la aleación y fragmentar las virutas excesivamente largas.

Avance constante o aumento de la velocidad de avance

Durante el corte, la dureza de las aleaciones de titanio aumenta, lo que acelera el desgaste de la herramienta. Por lo tanto, mantener un avance constante es esencial para minimizar el endurecimiento por deformación. Si el rendimiento del equipo lo permite, procure aumentar la velocidad de avance para minimizar la posibilidad de acumulación de calor y endurecimiento por deformación.

¿Cómo elegir las herramientas de corte adecuadas para mecanizar titanio?

Al mecanizar titanio con CNC, a menudo resulta difícil utilizar las herramientas de corte adecuadas; estos son los factores que deben considerarse:

Número de filos de las herramientas de corte

En el titanio, cuanto mayor es el número de filos, menor es el patrón de vibración. Para obtener ciclos de mecanizado más cortos, debe aumentar el número de canales de viruta de su herramienta de fresado. Por ejemplo, una fresa de 10 filos tiene una carga de viruta baja para la mayoría de los materiales, pero es ideal para el titanio. Esto reduce principalmente la penetración radial.

Geometría de la herramienta

La selección de una geometría de herramienta adecuada, incluidos el ángulo de corte, el ángulo frontal y el ángulo posterior, puede reducir la fuerza de corte y disminuir el calor de corte. Al mecanizar aleación de titanio, generalmente debe seleccionarse un ángulo frontal menor, lo que puede mejorar significativamente la resistencia del filo y su resistencia al astillado; la selección de un ángulo posterior mayor puede reducir el área de contacto entre el dorso de la herramienta y la superficie de transición y la superficie mecanizada.

Fresa de alto avance

Las fresas de alto avance son adecuadas para mantener una baja penetración al mecanizar titanio en dirección axial y radial. Las fresas de alto avance son ideales para minimizar la interacción al mecanizar titanio en dirección radial con un CNC de 5 ejes.

Recubrimientos de herramientas de corte

Los recubrimientos pueden ser eficaces para reducir la fricción y mejorar la resistencia a altas temperaturas de las herramientas de corte. El TiAlN (recubrimiento PVD de nitruro de titanio y aluminio) es un recubrimiento excelente utilizado en una amplia gama de herramientas de corte. Es lubricante, evita la acumulación de viruta, el desgaste y el soldado de viruta, y es ideal para las temperaturas empleadas en el fresado CNC de aleaciones de titanio.

Mantener el filo afilado y evitar las interrupciones del corte

Debido a su bajo módulo de Young, el titanio tiene alta resistencia y elasticidad. Esto significa que, para evacuar las virutas de la superficie de forma eficiente y sin fricción, necesitamos utilizar herramientas afiladas. Procure evitar el corte intermitente, ya que este tipo de corte presiona las virutas contra la herramienta afilada y puede provocar un fallo prematuro de la herramienta.

Acabados superficiales para piezas de titanio mecanizadas

• Electroforesis
• Granallado
• Pulido
• Cromado
• Pintura
• Recubrimiento PVD
• Recubrimiento en polvo

Aplicaciones de las piezas de titanio mecanizadas

Las piezas de titanio mecanizadas son duraderas, resistentes a la corrosión y estéticamente agradables. Estas propiedades las hacen adecuadas para su uso en una variedad de industrias

Aeroespacial

El titanio es un material indispensable en la industria aeroespacial debido a su ligereza, su excelente tenacidad a baja temperatura y su resistencia a altas temperaturas. En la industria aeroespacial, el titanio se utiliza en la fabricación de carcasas de motores de cohetes, carcasas de satélites artificiales, naves espaciales, contenedores de temperatura ultrabaja y tanques de almacenamiento en naves tripuladas. En la fabricación de aeronaves, el titanio y sus aleaciones desempeñan un papel importante en la fabricación de discos de turbina, álabes, remaches, carcasas, componentes estructurales del fuselaje, etc.

Química

El titanio se utiliza a menudo en la industria petroquímica para fabricar intercambiadores de calor, reactores, tanques de almacenamiento y otros equipos, debido a su alto nivel de resistencia a la corrosión y al calor. Especialmente en algunas aplicaciones en las que se exige una elevada resistencia a la corrosión, el titanio se emplea de forma aún más amplia.

Médico

El titanio se utiliza ampliamente en dispositivos médicos debido a su excelente biocompatibilidad, su carácter no magnético y su resistencia a la corrosión. El titanio de grado médico se emplea en la fabricación de prótesis articulares, huesos artificiales, implantes dentales, marcapasos y otros dispositivos médicos. Estos productos de titanio presentan una buena compatibilidad con los huesos y tejidos humanos y pueden implantarse en el cuerpo durante largos periodos de tiempo sin reacciones adversas.

Automoción

El titanio es ligero y presenta una buena resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, por lo que se utiliza cada vez más en la industria automovilística, incluida la fabricación de componentes de motor, bielas, cigüeñales, sistemas de escape, piezas de carrocería y de chasis. El uso de aleaciones de titanio en la fabricación de piezas permite reducir significativamente el peso de los automóviles, mejorar la eficiencia del combustible y prolongar la vida útil.

Marino

La resistencia a la corrosión del titanio le permite funcionar de forma estable en agua de mar durante largos periodos de tiempo. Los submarinos fabricados con titanio no solo resisten la corrosión del agua de mar (según los experimentos, el titanio sumergido en el fondo marino durante 20 a 50 años no se corroe), sino que también soportan la presión en profundidad, con una profundidad de inmersión un 80 % superior a la de los submarinos de acero inoxidable. Además, el titanio no es magnético, no es detectado por las minas y ofrece una excelente función de protección contra la detección. Se utiliza con frecuencia en la fabricación de equipos de desalinización, equipos de perforación petrolífera en alta mar y centrales eléctricas de conversión de energía térmica oceánica.

Deportes y artículos de uso diario

La resistencia a la corrosión y la estética del titanio lo hacen idóneo para el equipamiento deportivo y los artículos de uso general. El titanio se consume en enormes cantidades en el sector mundial de fabricación de equipamiento de golf, con más de 6.000 toneladas de titanio utilizadas cada año en la fabricación de equipos de golf de titanio. Además, el titanio se utiliza ampliamente en raquetas de tenis, raquetas de bádminton, bastones de esquí, palas de nieve, bastones de montañismo, crampones de senderismo, trineos, caretas de esgrima, cañas de pescar, bicicletas, monturas de gafas, utensilios de cocina, relojes, artesanías y otros artículos para el hogar.

El titanio tiene una amplia gama de aplicaciones que abarcan la aeroespacial, la química, la médica, la automovilística, la marina, la deportiva y los artículos de uso diario. Con el continuo avance de la ciencia y la tecnología y la mejora constante de las prestaciones del titanio, sus aplicaciones seguirán ampliándose.

Grados de titanio habituales para el mecanizado CNC

En el mecanizado CNC, los tipos de titanio y de aleaciones de titanio se clasifican principalmente según su composición y sus aplicaciones; los tipos habituales son titanio de grado 1, titanio de grado 2, titanio de grado 3, titanio de grado 4, titanio de grado 5, titanio de grado 6, titanio de grado 7, titanio de grado 23, etc. Si desea saber más sobre el titanio, no puede perderse nuestro blog – qué es el titanio: la guía definitiva .

Elija DEK para el mecanizado de piezas de titanio

DEK es una empresa de mecanizado CNC profesional y con experiencia, especializada en el mecanizado de aleaciones de titanio. Con centros de mecanizado de 5 ejes de última generación y un equipo de diseñadores e ingenieros altamente cualificados, ofrecemos mecanizado CNC de aleaciones de titanio de alta calidad a precios competitivos para una amplia gama de industrias. Algunos de nuestros casos de éxito incluyen rotores, soportes de antena y elementos de fijación.

Conclusión

Tras leer este blog, habrá adquirido una comprensión integral del mecanizado CNC de titanio. El mecanizado del titanio y de sus aleaciones requiere una atención especial y un manejo delicado para garantizar una producción óptima de la pieza. A diferencia de metales comunes como el acero y el cobre, el mecanizado del titanio presenta retos únicos y exige el uso de las herramientas adecuadas, técnicas especializadas y suficiente paciencia. Por este motivo, a menudo es mejor externalizar los proyectos de mecanizado CNC de titanio a un equipo especializado como DEK, donde podemos garantizar la alta calidad y precisión de las piezas.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es el coste del mecanizado CNC de titanio?

El coste del mecanizado CNC de titanio puede variar en función de diversos factores, como la complejidad de la pieza, su tamaño, las tolerancias requeridas, la cantidad producida y el grado de titanio utilizado.

¿Qué tipos de herramientas de corte se utilizan habitualmente para mecanizar titanio?

Herramientas de acero rápido (HSS); plaquitas de metal duro; plaquitas cerámicas y herramientas de diamante policristalino (PCD)

¿Cuál es la velocidad de corte del titanio?

En el mecanizado CNC del titanio se recomiendan velocidades de corte bajas. Las velocidades de corte elevadas pueden aumentar fácilmente la temperatura en la punta de la herramienta, lo que puede comprometerla.

¿Se deforma el titanio al mecanizarlo?

El titanio puede deformarse al mecanizarlo debido a su baja conductividad térmica y su alta resistencia, que provocan acumulación de calor y tensiones residuales. Es necesario aplicar una refrigeración y unas técnicas de mecanizado adecuadas para minimizar la deformación.