Mecanizado CNC de titanio para estructuras aeroespaciales

Las aleaciones de titanio presentan desafíos significativos para el mecanizado CNC en aplicaciones estructurales aeroespaciales debido a propiedades inherentes como baja conductividad térmica y alta reactividad química. Este trabajo detalla una metodología estructurada para optimizar el mecanizado CNC de Ti-6Al-4V, centrándose en la mitigación del desgaste de la herramienta y en alcanzar tolerancias geométricas estrictas. Los ensayos de mecanizado emplearon centros CNC multiejes equipados con sistemas avanzados de monitoreo del estado de la herramienta (TCM, por sus siglas en inglés). Los parámetros de corte (velocidad, avance, profundidad de corte) y las estrategias de trayectoria de herramienta se variaron sistemáticamente. Los resultados demuestran que la implementación de enfriamiento criogénico pulsado redujo el desgaste promedio de la cara de desgaste en 42 % en comparación con el enfriamiento convencional por inundación, mientras que estrategias de fresado trocoidales adaptativas disminuyeron el tiempo de mecanizado en 18 % y mejoraron la rugosidad superficial (Ra) en 15 % para componentes de pared delgada. El análisis de datos confirma una fuerte correlación entre la energía específica de corte y el desgaste progresivo de la herramienta. Estos hallazgos proporcionan estrategias aplicables para mejorar la eficiencia del mecanizado y la calidad de piezas en estructuras aeroespaciales críticas. Las limitaciones incluyen el enfoque en Ti-6Al-4V; la aplicabilidad a otras aleaciones de titanio requiere validación adicional.

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La búsqueda incansable de rendimiento y eficiencia en el consumo de combustible en el diseño aeroespacial moderno exige el uso extensivo de aleaciones de titanio, principalmente Ti-6Al-4V. Su excepcional relación resistencia-peso y su resistencia a la corrosión las hacen ideales para componentes estructurales críticos como tren de aterrizaje, soportes del motor y secciones del fuselaje [1]. Sin embargo, estas mismas propiedades —notablemente baja conductividad térmica, alta resistencia a temperaturas elevadas y fuerte afinidad química con los materiales de las herramientas— hacen que el titanio sea notoriamente difícil de mecanizar de manera eficiente y precisa [2]. Los desafíos se manifiestan en el desgaste rápido de las herramientas, baja integridad superficial, posible distorsión de la pieza (especialmente en secciones delgadas) y costos elevados de producción [3]. Por consiguiente, optimizar los procesos de mecanizado CNC para estructuras aeroespaciales de titanio sigue siendo un objetivo industrial crítico. Este trabajo presenta una metodología práctica y resultados experimentales enfocados en superar estos desafíos mediante la optimización de parámetros y estrategias innovadoras de refrigeración, con el objetivo de establecer protocolos de producción confiables y rentables.

2 Métodos
2.1 Diseño Experimental y Material de la Pieza de Trabajo
El material base investigado fue una placa de Ti-6Al-4V recocida (Grado 5), conforme a las especificaciones AMS 4911L. Las operaciones principales de mecanizado estudiadas fueron el fresado periférico (desbaste y acabado) y el mecanizado de cavidades, representativos de características estructurales aeroespaciales comunes. Las piezas de trabajo fueron fijadas firmemente utilizando mordazas de vacío personalizadas y un apriete mecánico estratégico para minimizar la vibración y la flexión, especialmente crítico para geometrías de pared delgada.

2.2 Equipo y Herramientas de Mecanizado
Los experimentos se realizaron en un centro de mecanizado CNC de 5 ejes DMG MORI DMU 80 eVo (husillo de 40 kW, máximo 18,000 rpm). Las herramientas de corte incluyeron:

• Mecanizado preliminar: Fresas de carburo integral (Ø10 mm, 4 filos, recubiertas con ZrN) con geometría de hélice/paso variable.

• Acabado: Fresas de carburo integral (Ø8 mm y Ø6 mm, 4 filos, recubiertas con AlTiN).
  El estado de la herramienta (desgaste lateral VBmax) se monitorizó en proceso mediante una combinación de análisis del consumo de potencia del husillo (monitoreo integrado Siemens Sinumerik 840D sl) y mediciones periódicas fuera de línea a través de un microscopio digital Keyence VHX-7000. La rugosidad superficial (Ra, Rz) se midió utilizando un perfilómetro Mitutoyo Surftest SJ-410. La precisión dimensional se verificó con una máquina de medición de coordenadas Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Variables del Proceso y Adquisición de Datos
Las variables independientes clave que se probaron sistemáticamente incluyeron:

• Velocidad de Corte (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Avance por Diente (fz): 0,04 mm/diente - 0,12 mm/diente

• Profundidad Axial de Corte (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (acabado), 5 mm - 15 mm (desbaste)

• Profundidad Radial de Corte (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (estrategias adaptativas)

• Estrategia de Enfriamiento: Emulsión convencional en inundación (6%), Nitrógeno líquido criogénico pulsado (LN2)

• Estrategia de Trayectoria de Herramienta: Trayectorias paralelas convencionales, Fresado trocoidal adaptativo.
  Las variables dependientes medidas fueron el desgaste de flanco (VBmax), la rugosidad superficial (Ra, Rz), la energía específica de corte (SCE), el tiempo de mecanizado por característica y la desviación dimensional en características críticas (espesor de pared, posición del orificio). La adquisición de datos se realizó directamente desde el sistema de control CNC (potencia, par, tiempo) y mediante metrología offline. Se realizaron al menos tres réplicas por condición.

3 Resultados y Análisis
3.1 Rendimiento del Desgaste de la Herramienta
La progresión del desgaste de flanco fue significativamente influenciada por la estrategia de refrigeración y la velocidad de corte. La figura 1 ilustra la tendencia dominante: el uso de refrigeración criogénica pulsada con LN2 redujo drásticamente el desgaste de la herramienta en todas las velocidades de corte probadas en comparación con la emulsión convencional. A la velocidad media (60 m/min), el VBmax promedio después de mecanizar un volumen estandarizado de material se redujo en un 42 % al utilizar refrigeración criogénica. Las altas velocidades de corte (80 m/min) con refrigeración convencional provocaron fallos catastróficos de la herramienta (desprendimiento de partículas) en un corto periodo, mientras que la refrigeración criogénica permitió continuar el mecanizado, aunque con un desgaste acelerado en comparación con las velocidades más bajas. El análisis de las señales de potencia del husillo mostró una fuerte correlación con las mediciones de VBmax offline, confirmando la efectividad del sistema TCM para la predicción del desgaste (R² = 0,91).

3.2 Calidad superficial y precisión geométrica
La rugosidad superficial (Ra) fue principalmente afectada por la velocidad de avance y la estrategia de herramienta en las operaciones de acabado. Reducir el avance por diente (fz) de 0.08 mm/diente a 0.05 mm/diente mejoró el Ra promedio en aproximadamente un 25%. Crucialmente, implementar un fresado trocoidal adaptativo para el acabado de paredes delgadas (ap = 8 mm, espesor de pared 1.5 mm) produjo una mejora del 15% en Ra (promedio de 0.32 µm frente a 0.38 µm con trayectorias paralelas) y redujo la distorsión de la pieza en un 30%, medido mediante la desviación de la CMM respecto al espesor nominal de la pared (Figura 2). Esta estrategia también redujo el tiempo de mecanizado para estas características en un 18%, al mantener tasas promedio más altas de eliminación de material mediante el control constante de la participación de la herramienta.

3.3 Productividad y consumo de energía
La energía específica de corte (SCE), un indicador clave de la eficiencia del proceso, disminuyó con el aumento de la tasa de eliminación de material (MRR), como era de esperar. Sin embargo, el uso de refrigeración criogénica provocó un SCE un 10-15 % mayor en comparación con la refrigeración por inundación en valores equivalentes de MRR, lo cual se atribuye al costo energético de la entrega de LN2. A pesar de ello, la considerable extensión de la vida útil de la herramienta y la reducción del tiempo no productivo (cambios de herramientas, ajustes) condujeron a un aumento neto de productividad de aproximadamente un 20 % por pieza para componentes estructurales complejos, compensando así la penalización por SCE.

4 Discusión
La reducción notable observada en el desgaste de la herramienta al utilizar refrigeración criogénica pulsada con LN2 se alinea con mecanismos establecidos: el LN2 suprime eficazmente las altas temperaturas en la zona de corte inherentes al mecanizado del titanio, reduciendo así los mecanismos de desgaste por difusión y adherencia que son predominantes al usar herramientas de carburo [4, 5]. La entrega pulsada probablemente mejora la penetración en la interfaz herramienta-viruta mientras minimiza el consumo innecesario. El éxito del fresado milingroide adaptativo, especialmente para paredes delgadas, proviene de mantener un engrane radial próximo a constante y fuerzas de corte reducidas, minimizando la deflexión de la herramienta y la vibración de la pieza de trabajo [6]. Esto se traduce directamente en una mayor precisión geométrica y acabado superficial.

Una limitación clave de este estudio es su enfoque en Ti-6Al-4V. Aunque esta aleación es dominante, otras aleaciones de titanio (por ejemplo, Ti-5553, aleaciones cercanas al beta) presentan características de mecanizado diferentes; los resultados obtenidos deben validarse para esos materiales. Además, las implicaciones económicas y ambientales de una adopción generalizada del uso criogénico de LN2 requieren una evaluación cuidadosa del ciclo de vida, equilibrando los ahorros en herramientas y las ganancias de productividad frente a los costos de producción y distribución del LN2, así como su huella de carbono.

Para la práctica de fabricación aeroespacial, estos resultados respaldan firmemente:

1. Implementar Mecanizado Criogénico Pulsado: En operaciones críticas y prolongadas de fresado de titanio, especialmente en desbaste y semiacabado, para maximizar la vida útil de las herramientas y la fiabilidad del proceso.

2. Adoptar Trayectorias Adaptativas de Herramientas: En particular, estrategias trocoidales para el acabado de estructuras aeroespaciales de pared delgada, con el fin de mejorar la integridad superficial, la precisión dimensional y la productividad.

3. Integrar Monitoreo del Estado de las Herramientas: El uso de señales de potencia del husillo proporciona un método práctico e integrado en la máquina para predecir el desgaste de la herramienta y programar cambios proactivamente, reduciendo el riesgo de desperdicio.

5 Conclusión
Este estudio demuestra estrategias efectivas para mejorar el mecanizado CNC de Ti-6Al-4V para aplicaciones estructurales aeroespaciales exigentes. El enfriamiento con nitrógeno líquido criogénico pulsado mitiga significativamente el desgaste rápido de la herramienta, una limitación principal, permitiendo velocidades de corte sostenibles más altas y una vida útil prolongada de la herramienta. Las trayectorias de fresado milingüe adaptativas mejoran el acabado superficial, la precisión dimensional (especialmente para paredes delgadas) y la productividad general en comparación con las trayectorias paralelas convencionales. La correlación entre el monitoreo de la potencia del husillo y el desgaste de la herramienta ofrece un método viable de control en proceso. Estos hallazgos proporcionan soluciones directamente aplicables para fabricantes aeroespaciales que buscan mejorar la eficiencia, fiabilidad y calidad en la producción de componentes de titanio. Futuros trabajos deberían investigar la optimización de los parámetros de suministro criogénico (diseño de boquillas, temporización de pulsos), extender la metodología a otras aleaciones de titanio de alto rendimiento, y realizar análisis integrales técnico-económicos y de impacto ambiental de la implementación del mecanizado criogénico.