Estudio comparativo del rendimiento de fresado de componentes de aleación de titanio impresos en 3D y piezas forjadas de aleación de titanio

Impreso en 3D aleación de titanioEl titanio, como material emergente en el campo aeroespacial, siempre ha recibido gran atención en cuanto a su rendimiento de corte. En este artículo, se realizaron experimentos de fresado ortogonal en componentes de aleación de titanio impresos en 3D y... piezas forjadas de aleación de titanio. Se analizaron las similitudes y diferencias entre ambos materiales en cuanto a fuerza de fresado, temperatura de fresado y desgaste de la herramienta.

1. Comparación del rendimiento del procesamiento de fresado entre componentes de aleación de titanio impresos en 3D y piezas forjadas de aleación de titanio.

La impresión 3D es una tecnología de prototipado rápido basada en archivos de modelos digitales y utiliza polvo de metal o plástico y otros materiales adhesivos para construir objetos mediante impresión por capas. En los últimos años, la tecnología de impresión 3D de aleaciones de titanio se ha desarrollado rápidamente en el campo aeroespacial debido a su rápida velocidad, bajo coste, materiales ilimitados utilizados para la producción de prototipos, capacidad para procesar piezas de diversas formas y gran flexibilidad e integración.
Debido a la anisotropía de la aleación de titanio de impresión 3D, este trabajo analiza el rendimiento de fresado de la aleación de titanio de impresión 3D en diferentes direcciones, mide la fuerza de corte, el desgaste de la herramienta y otros datos durante la prueba, y optimiza los parámetros de procesamiento de acuerdo con los valores medidos, y compara la diferencia del rendimiento de corte de los dos materiales de aleación de titanio, guiando para el futuro procesamiento y producción.

2. Condiciones y plan de ensayo

(1) Materiales de ensayo

Como se muestra en la figura 1, las probetas de ensayo se fabricaron con bloques de aleación de titanio impresos en 3D y bloques forjados de aleación de titanio TC4 con unas dimensiones de 40 mm x 30 mm x 20 mm. La tabla 1 muestra la composición química del material de aleación de titanio TC4.

Figura.1 Pieza de ensayo

Tabla.1 Composición química del material de aleación de titanio TC4 (peso.%)

Material	Ti	Fe		C		N		H
TC4	subsidio	≤0.30		≤0.10		≤0.05		≤0.015
Material	O		Al		V		Otros
TC4	≤0.20		5.5-6.8		3.5-4.5		≤0.4

(2) Equipo de ensayo

• 1) Máquina herramienta de procesamiento: Centro de mecanizado VMC850E producido por Shenyang Machine Tool Factory;
• 2) Herramienta de procesamiento: Fresa de aleación dura con recubrimiento de diamante PVD, con parámetros de herramienta de D8 * 25 * 70 * 4T, ángulo frontal del borde circunferencial de 12 °, ángulo posterior de 10 ° y ángulo de hélice de 40 °;
• 3) Sistema de medición de fuerza: Instrumento de medición de fuerza piezoeléctrica de cuatro vías KISTLER9272, amplificador de carga KISTLER5017B y sistema de adquisición y procesamiento de datos correspondiente;
• 4) Otros: Rugosímetro de superficie SJ201 y cámara termográfica infrarroja A615 de Sanfeng, Japón.

(3) Plan de pruebas ortogonal
Se realizaron experimentos de fresado básico con materiales de aleación de titanio impresos en 3D y materiales de aleación de titanio TC4, con los parámetros de procesamiento que se muestran en la Tabla 2, con un total de 18 grupos. No hay refrigerante durante el proceso de prueba, lo que facilita la medición de la temperatura durante el procesamiento, adoptando el método de procesamiento de fresado inverso.

Tabla.2 Parámetros de procesamiento de fresado

Número	velocidad lineal v(m /min)	Avance por diente fz(mm/z)	Profundidad de corte axial ap(mm)	Velocidad de avance f(mm/min)
1	40,60,80	0.06	1	382,73,64
2	40,0,0	0.06	2	382,73,764
3	40,0,0	0.08	1	509,764,020
4	40,0,0	0.08	2	509,764,020
5	40,0,0	0.1	1	637,55,274
6	40,0,0	0.1	2	637,55,274

3. Resultados de las pruebas y análisis

3.1 Análisis de los resultados de la fuerza de fresado

Analizar la fuerza de fresado F_x de los dos materiales con un diagrama de líneas, como se muestra en la figura 2.

Figura.2 Línea de fuerza de fresado

Figura.3 Curva tensión-deformación de flujo a 5000/s
Con los mismos parámetros, la fuerza de fresado F_x de la aleación de titanio TC4 forjada es mayor que la de la aleación de titanio impresa en 3D. La disminución de la fuerza de fresado de la primera durante el fresado a alta velocidad no es tan significativa como la de la segunda. Esto se debe a que la aleación de titanio TC4 forjada tiene una resistencia (dureza) ligeramente pobre. Aún así, su plasticidad es muy buena, por lo que se producirá una gran deformación plástica, adherencia de la herramienta y otros fenómenos en el proceso de procesamiento, lo que agravará el desgaste de la herramienta y aumentará la resistencia al fresado, dando lugar a una mayor fuerza de fresado. Aunque la aleación de titanio impresa en 3D tiene una alta resistencia, su plasticidad es baja. Bajo altas velocidades de deformación, generará un aumento adiabático de la temperatura (véase la figura 3), lo que provocará un ablandamiento significativo del aumento de la temperatura del material y una disminución importante de la fuerza de fresado.

Al comparar y analizar las virutas de los dos materiales (véase la figura 4), se observó que las virutas de aleación de titanio impresas en 3D presentan una amplitud de curvatura menor y tienen forma de C hojasLas virutas de aleación de titanio TC4 tienen una gran amplitud de curvatura y son cilíndricas. Además, la deformación plástica durante la rotura de las virutas es relativamente pequeña, por lo que se genera menos calor; las virutas de aleación de titanio TC4 tienen una gran amplitud de curvatura y son cilíndricas, por lo que son fáciles de enredar y pegarse a la cuchilla. Cuando las virutas se rompen, la deformación plástica es grande, generando más calor y una gran resistencia a la deformación. En resumen, la aleación de titanio TC4 forjada tiene buena plasticidad y gran fuerza de fresado durante el procesamiento.

Figura.4 Morfología de la viruta de dos aleaciones de titanio con los mismos parámetros de procesado

Figura.5 Efecto de los parámetros de procesado en las fuerzas de fresado de dos materiales
El análisis del alcance de la fuerza de fresado F_x se muestra en la Figura 5. Se observa que la velocidad lineal es la que más influye en la fuerza de fresado de la aleación de titanio impresa en 3D, seguida de la profundidad de corte axial y, por último, de la velocidad de avance por diente. Cuando la velocidad lineal aumenta de 40m/min a 80m/min, la fuerza de fresado F_x primero aumenta y luego disminuye. El aumento del avance por diente y de la profundidad de corte axial provocará un aumento de la fuerza de fresado F_xdonde el incremento de la fuerza de fresado causado por la profundidad de corte axial es significativamente mayor que el incremento de la fuerza de fresado causado por la velocidad de avance por diente; Para la aleación de titanio TC4 forjada, la velocidad lineal tiene el mayor impacto en su fuerza de fresado F_xseguido del avance por diente y, por último, la profundidad de corte axial.
3.2 Análisis de la temperatura de molienda

La figura 6 muestra que, en el caso de las aleaciones de titanio impresas en 3D, debido a su menor plasticidad que las aleaciones de titanio TC4 forjadas, la temperatura de fresado de las primeras es inferior a la de las segundas con los mismos parámetros de procesamiento. A una velocidad lineal más baja, la temperatura de fresado disminuye en cierta medida con el aumento de la profundidad de corte axial, lo que coincide con la tendencia de la aleación de titanio TC4 forjada. A medida que la velocidad lineal aumenta gradualmente, especialmente cuando la velocidad lineal aumenta a 60m/min, la temperatura aumenta repentinamente de 470 ℃ a 580 ℃ porque la velocidad lineal es grande. La profundidad de corte axial es pequeña, el efecto de extrusión entre la herramienta y la superficie de la pieza de trabajo es más evidente, y las virutas son pequeñas, lo que conduce a un cierto aumento de la temperatura. A medida que la velocidad lineal aumenta hasta 80m/min, el cambio en la temperatura de fresado deja de ser significativo, pero muestra una pequeña oscilación de amplitud. Esto se debe a que las aleaciones de titanio impresas en 3D tienen poca plasticidad, y velocidades de husillo más altas pueden reducir significativamente la deformación plástica del material. Incluso si se vuelve a aumentar la velocidad del husillo, la deformación plástica deja de ser significativa.

Figura.6 Temperatura de fresado de dos materiales
3.3 Detección y análisis del desgaste de las herramientas

De la Fig. 7a se desprende que el desgaste de la herramienta para el forjado de la aleación de titanio TC4 está muy desgastado, el fenómeno de colapso del filo es muy evidente, el material de la matriz se desprende seriamente, y una gran cantidad de material de la matriz de la aleación de titanio se adhiere al filo de la herramienta. Esto se debe a que, durante el proceso de fresado de la aleación de titanio, la alta temperatura en la zona de corte y la alta velocidad de deformación de las virutas pueden provocar un cierto grado de reblandecimiento del material, adhiriéndose así a la herramienta. A medida que aumenta la acumulación de virutas, la rugosidad del filo de la herramienta aumenta y deja de estar afilado, lo que aumenta aún más la resistencia al corte. Además, hay algunas grietas en la superficie de corte después del filo de corte. A medida que aumentan las grietas, el material del filo de corte se desprende lentamente y deja al descubierto el material del sustrato de la herramienta. El fenómeno de desprendimiento del recubrimiento en la superficie de corte posterior también es relativamente obvio, lo que provoca un contacto directo entre el material del sustrato de la herramienta y el material de la pieza de trabajo, acelera el desgaste abrasivo y el desgaste por difusión en la superficie de corte posterior alrededor de la herramienta, y reduce la vida útil de la herramienta. La figura 7b muestra que el desgaste en la cara frontal de la fresa es relativamente ligero, con sólo astillado y pegado de viruta cerca del borde. El fenómeno de desgaste abrasivo no es evidente, lo que concuerda más con las características del fresado inverso.

Fig.7 Desgaste de la herramienta para forjar la aleación de titanio TC4

La herramienta de mecanizado de aleación de titanio para impresión 3D también presenta microastillamiento y desprendimiento de material de matriz en el filo de corte, y hay evidentes arañazos de desgaste abrasivo en la superficie de corte posterior. Sin embargo, el fenómeno de adhesión del material de la matriz de aleación de titanio no es obvio en el filo de corte posterior (véase la figura 8). Esto se debe a la alta dureza del material de aleación de titanio impreso en 3D durante el proceso de fresado de la aleación de titanio, lo que provoca un fuerte desgaste abrasivo durante el proceso de mecanizado y arañazos de desgaste abrasivo muy evidentes en la superficie de corte posterior. Además, debido a la alta dureza y fragilidad del material, el material de la matriz se desprenderá después de que se produzca una pequeña deformación plástica durante el procesamiento, lo que resulta en menos calor generado durante el proceso de eliminación de material y menos tendencia a adherirse a las virutas. El desgaste de la superficie de corte tras el corte coincide con el de la aleación de titanio TC4 forjada.

Fig.8 Desgaste de la herramienta en el procesamiento de aleaciones de titanio en impresión 3D

En comparación con las herramientas de procesamiento de aleación de titanio TC4 forjadas, el desgaste de las herramientas de procesamiento de aleación de titanio para impresión 3D es menor, el microdesbaste en el borde periférico es menor y la adherencia de la viruta en la superficie de la herramienta después del borde periférico no es evidente. Por lo tanto, las herramientas de procesamiento de materiales de aleación de titanio para impresión 3D tienen una vida útil más larga con los mismos parámetros de procesamiento.

4. Conclusión

• (1) Con los mismos parámetros de fresado, la fuerza de fresado F_x de la aleación de titanio TC4 forjada es mayor que la de la aleación de titanio impresa en 3D, y la disminución de la fuerza de fresado de la primera durante el fresado a alta velocidad no es tan significativa como la de la segunda;
• (2) Con los mismos parámetros de procesamiento, la temperatura de fresado de los materiales de aleación de titanio impresos en 3D es inferior a la de las piezas forjadas de aleación de titanio;
• (3) Con los mismos parámetros de procesamiento, las herramientas de procesamiento de materiales de aleación de titanio para impresión 3D tienen una vida útil más larga;
• (4) Al procesar estos dos materiales de aleación de titanio, debe evitarse que la velocidad de corte sea de unos 60 m/min. Si las condiciones lo permiten, puede utilizarse una velocidad de husillo baja y una velocidad de avance alta.

Autor: Wang Lei

Fuente: China Fabricación de piezas forjadas de aleación de titanio: www.titaniuminfogroup.com