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28
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Las industrias de autopartes médicas, quirúrgicas y de alto rendimiento tienen un gran interés en el titanio debido a su relación resistencia-peso, que no tiene igual en otros metales. Esto significa que las piezas de titanio ayudan a que los aviones vuelen más lejos que nunca; los autos de carrera tomen curvas más rápido que nunca, y los dispositivos médicos implantados funcionen dentro del cuerpo humano sin complicaciones. Si bien los requisitos para los sujetadores de titanio de grado médico, los pernos de titanio biocompatibles y los pernos de titanio de grado quirúrgico son más estrictos que los de los sujetadores metálicos comunes, los desafíos del mecanizado del titanio debido a su estructura atómica única son tan difíciles como los del mecanizado de metales como el plomo. La combinación de alta resistencia y excelente resistencia a la corrosión crea un entorno muy desafiante para mecanizar el titanio y convertirlo en sujetadores ligeros y de precisión. Este artículo desglosa los pasos necesarios para lograr la combinación adecuada de estas características y crear componentes duraderos y de alto rendimiento utilizando sujetadores de titanio para implantes, herrajes de titanio para dispositivos médicos y soluciones de fijación biocompatibles utilizadas en dispositivos de ortopedia, columna vertebral y cardiovasculares.
El titanio no se comporta como el acero o el aluminio en el taller. Su composición metalúrgica única lucha contra la herramienta de corte, lo que a menudo provoca una rápida acumulación de calor y degradación del material. Ya sea que esté produciendo pernos de titanio Grado 5, sujetadores de titanio Grado 2 o tornillos médicos Ti-6Al-4V, se aplican las mismas reglas físicas.
En términos de propiedades del material para el mecanizado destructivo, el titanio es el mejor material en cuanto a reactividad; sin embargo, el principal inconveniente del titanio para los procesos de mecanizado destructivo es su baja conductividad térmica. Cuando se corta acero, una parte significativa del calor generado por la fricción se va con las virutas. Al cortar titanio, el filo de la herramienta permanece en contacto con el titanio y, por lo tanto, el calor generado por la fricción se mantiene en el filo de corte. La temperatura localizada extrema en el filo de corte causa dos problemas principales durante las operaciones de corte: soldadura de viruta y desgaste prematuro de la herramienta.
A temperaturas elevadas, el titanio es muy reactivo químicamente. Existe reactividad química entre la herramienta y el titanio cuando este se adhiere a la herramienta de corte debido a la elevación de la temperatura de la misma. Esto crea una condición para la formación de filo recrecido (BUE). Cuando se forma un BUE, la herramienta de corte pierde su capacidad de corte, el acabado superficial del sujetador se vuelve rugoso y, finalmente, la herramienta falla por completo. Para los pernos de titanio resistentes a la corrosión utilizados en aplicaciones marinas o de implantes, mantener la integridad de la superficie es obligatorio.
Una de las cuestiones al mecanizar titanio es la característica de endurecimiento por deformación del titanio. Cuando una herramienta de corte corta titanio, el material inmediatamente adyacente a la herramienta sufre una deformación plástica. En lugar de cizallarse limpiamente a medida que la herramienta de corte pasa a través de la pieza de trabajo, el titanio se endurece y, por lo tanto, se vuelve quebradizo relativamente rápido después de ser cortado. Esto es especialmente crítico cuando se realiza micromecanizado en titanio o se mecanizan tornillos de titanio de diámetro pequeño, donde hay una alta fuerza de corte concentrada en un área muy pequeña.
Si no se adopta el enfoque de corte adecuado, la capa endurecida de titanio formará una pared para el siguiente corte y, por lo tanto, el siguiente corte será más difícil que el primero. Esto aumenta la fuerza de corte necesaria para cortar la pieza de trabajo. Si la configuración de su máquina carece de la rigidez o el par necesarios para empujar la herramienta de corte a través de la pieza de trabajo, la herramienta vibrará contra la capa endurecida, lo que producirá inconsistencias dimensionales y roscas de mala calidad.
Al mecanizar titanio, es fundamental contar con una máquina rígida. Debido a la tenacidad del titanio, las fuerzas de corte sobre la herramienta de corte son muy altas. Si existe alguna flexibilidad en la máquina o en la configuración de sujeción de la pieza, la máquina vibrará.
La vibración es perjudicial para mantener tolerancias ajustadas. Al mecanizar sujetadores ligeros, las roscas deben cortarse con precisión para evitar el agarrotamiento cuando se instala el sujetador. La introducción de vibración en el sujetador creará microfracturas en el material, lo que reducirá en gran medida la vida a fatiga del sujetador. Un buen enfoque para controlar la vibración al mecanizar titanio con tolerancia ajustada es mantener la menor proyección posible de la herramienta y usar fijaciones muy rígidas para reducir los efectos de la vibración. El control de la vibración es esencial para el mecanizado de titanio de alta tolerancia.
La herramienta de corte es su principal línea de defensa contra las duras realidades del titanio. No puede utilizar herramientas de acero estándar para esta aplicación y esperar resultados.
El carburo es el material más común utilizado para el mecanizado de titanio. Al seleccionar un grado de carburo, debe elegir uno que tenga un buen equilibrio entre tenacidad y resistencia al calor. Los grados de carburo de micrograno funcionan mejor para esta aplicación porque mantienen su filo por más tiempo y resisten la fatiga térmica que provoca el astillamiento de la herramienta.
Si bien existen herramientas de cerámica y diamante policristalino (PCD), estos materiales suelen ser demasiado frágiles para las operaciones de corte interrumpido requeridas en la producción de sujetadores. Si bien las cerámicas pueden manejar altas velocidades, por lo general no funcionan bien con la vibración producida al hacer roscas complejas con diámetros pequeños. Como resultado, el carburo es la opción superior por su fiabilidad y consistencia. Esto es especialmente cierto para pernos mecanizados de precisión suiza personalizados y operaciones de torneado suizo de precisión.
La geometría de diseño de herramienta estándar fallará rápidamente al cortar titanio. Es necesario modificar el diseño para minimizar la generación de calor y la fricción al cortar titanio:
Ángulos de Incidencia Altos (+Ángulos de Incidencia) elevan las virutas lejos de la superficie de la pieza de trabajo para reducir las fuerzas de corte.
Ángulos de Alivio Aumentados (c) evitan que la parte posterior de la herramienta roce contra el material endurecido por deformación.
Rompevirutas enrollan la viruta y la rompen antes de que se vuelva larga y fibrosa.
El uso de recubrimientos, como el nitruro de titanio y aluminio (AlTiN), es ideal para esta aplicación, ya que proporcionan una barrera térmica para proteger la herramienta de sustrato de carburo del calor producido en la interfaz de mecanizado. Evite el uso de herramientas sin recubrimiento, ya que tendrán una mayor afinidad química con el titanio que una herramienta recubierta y expondrán la herramienta a una falla prematura.
La gestión de la velocidad es más importante que la velocidad bruta. El titanio no responde bien a velocidades de corte extremadamente altas, que generan demasiado calor. En su lugar, use una velocidad de superficie (SFM) más baja combinada con una carga de viruta agresiva.
Carga de Viruta: Mantenga sus velocidades de avance lo suficientemente altas para asegurarse de que la herramienta siempre esté cortando material nuevo, no rozando la superficie endurecida por deformación.
Profundidad de Corte: Asegúrese siempre de que su profundidad de corte sea mayor que la capa endurecida por deformación creada por la pasada anterior.
Intervalo de Cambio de Herramienta: Realice un seguimiento cercano de la vida útil de la herramienta. Si ve que el acabado superficial se está degradando, cambie la herramienta antes de que se astille. Una herramienta desgastada genera más calor, lo que endurece más el titanio, acelerando el ciclo de falla.
La gestión térmica es la diferencia entre una pieza de alta calidad y un montón de chatarra. Debe eliminar el calor antes de que afecte a la herramienta o a la pieza de trabajo.
La refrigeración por inundación tradicional rara vez es suficiente para el titanio. El calor se genera exactamente donde la herramienta se encuentra con la pieza, y el refrigerante por inundación a menudo se evapora o se desvía antes de llegar a ese punto.
El refrigerante de alta presión a través del husillo (HPPS) es el estándar de oro. Al suministrar el fluido directamente a la zona de corte a alta presión, se logran dos cosas: el calor se elimina al instante y las virutas se eliminan a la fuerza. Si las virutas permanecen, se vuelven a cortar, lo que crea más calor y arruina la integridad de la superficie. Para los sujetadores de titanio de torno suizo y los herrajes de titanio torneados de precisión, el HPPS es imprescindible.
Elegir la fórmula de refrigerante adecuada es fundamental para la lubricidad. Necesita un refrigerante que proporcione una alta lubricación para evitar que el titanio se suelde a la herramienta.
Refrigerantes Sintéticos: Son excelentes para la transferencia de calor, pero a veces carecen de la lubricidad necesaria para evitar la soldadura de viruta.
Refrigerantes Semisintéticos: A menudo proporcionan el mejor equilibrio. Contienen suficiente aceite para mejorar la lubricación mientras mantienen las propiedades térmicas de los fluidos a base de agua.
Supervise siempre la concentración de su refrigerante. Si la mezcla es demasiado fina, pierde lubricación; demasiado espesa, y pierde capacidad de refrigeración.
En algunos casos, el mecanizado en seco o MQL (Lubricación por Mínima Cantidad) puede superar a los refrigerantes estándar. El mecanizado criogénico, que utiliza nitrógeno líquido, es un enfoque más nuevo. Congela el material en el filo de corte, lo que evita que el titanio alcance las temperaturas en las que se vuelve pegajoso y reactivo. Esto prolonga significativamente la vida útil de la herramienta y puede conducir a un acabado superficial superior, aunque requiere hardware especializado y protocolos de seguridad.
Crear un sujetador requiere algo más que eliminar material. Está creando un componente estructural que debe soportar el estrés y la vibración extremos. Esto es especialmente cierto para tornillos de titanio ortopédicos, sujetadores de implantes dentales, pernos de titanio para fijación espinal, sujetadores de dispositivos cardiovasculares, tornillos de titanio para instrumentos médicos y herrajes de titanio para prótesis.
Por lo general, las secciones de rosca de los sujetadores de titanio son donde ocurre la mayoría de las fallas. Por ejemplo, el roscado por laminación es a veces una mejor opción que el corte (en pernos quirúrgicos de alta resistencia). El trabajo en frío de las roscas mediante laminación da como resultado que la superficie de la rosca se coloque bajo compresión; esto, a su vez, tiene un efecto positivo en la resistencia a la fatiga de las secciones de rosca. Esta es una cuestión importante a considerar al fabricar sujetadores de titanio utilizados en dispositivos implantables.
Al cortar roscas, el aspecto más importante es mantener la precisión del paso durante todo el proceso de corte de la rosca. Dado que el titanio tiene un módulo de elasticidad muy alto, el material se recuperará elásticamente ligeramente de la operación de corte. Por lo tanto, al diseñar para la recuper
