Estrategia de fresado en 5 ejes para mecanizado de blisks de titanio

Muchos de los nuevos diseños para motores de turbina de aviones civiles y militares tienen rotores blisk en lugar de conjuntos de rotor de una sola hoja, gracias a su importante reducción de peso, mayor resistencia y mantenimiento reducido.

Los blisks generalmente se mecanizan a partir de un lingote sólido de materiales duros y exóticos, como el titanio y las aleaciones a base de níquel, lo que los hace difíciles de mecanizar y genera tiempos de ciclo largos. Por ende, estos componentes se vuelven muy costosos de producir. Como resultado, se deben desarrollar métodos de mecanizado eficientes.

El fabricante suizo de máquinas-herramienta Starrag (Hebron, Kentucky) ha abordado estos problemas mediante el desarrollo de un nuevo concepto de herramientas y una estrategia de fresado para mecanizado de desbaste, semiacabado y acabado de blisks. La pieza central de la estrategia de fresado mejorada es la operación de acabado, que ayuda a reducir el tiempo total de mecanizado en 50 por ciento, dice Starrag.

La pieza de trabajo de referencia que la empresa utiliza para demostrar este proceso es un blisk hecho de la aleación de titanio Ti6Al4V, utilizada para compresores de presión intermedia y alta, y para motores de aviones. El blisk de 48 hojas tiene un diámetro de 520 mm, una altura de 34 mm y una longitud de 35 mm.

Optimizando el proceso de fresado trocoidal para componentes aeroespaciales

La estrategia de fresado de Starrag comienza con tres pasadas de fresado trocoidales que alimentan a una fresa escariadora en movimientos circulares para crear ranuras. Se dice que este método es ideal para el fresado de las ranuras rugosas del blisk, porque la carga del diente permanece constante durante el corte, mejorando así las tasas de eliminación de metal y la vida útil de la herramienta.

Después de las pasadas de semiacabado posteriores, se realizan operaciones de acabado de los álabes y del cubo. El proceso de acabado del álabe se realiza utilizando una herramienta tipo barril de Starrag con un diseño novedoso, que permite cortes de hasta 4 mm (se usó una profundidad de corte de 3 mm en este ejemplo de pieza específica).

El tiempo de mecanizado de acabado de la cuchilla se reduce en 75 por ciento en comparación con las estrategias convencionales que utilizan cortadores de punta esférica (de 5 minutos y 17 segundos a 1 minuto y 13 segundos). Se necesitan menos pasadas usando la herramienta tipo barril porque tiene un radio mayor que el de una fresa de punta esférica.

Para el acabado del cubo, la empresa utiliza una herramienta toroidal Starrag, con un desplazamiento lateral hasta el diámetro de la herramienta. La herramienta toroidal parece básicamente una fresa escariadora regular, pero tiene un gran radio al final. El proceso de corte tiene lugar en ese radio y no en el eje, en el costado de la herramienta. Una operación posterior de acabado de la raíz del álabe completa el proceso de mecanizado.

Según Richard M. Bacon, Director de Ingeniería de Starrag, el secreto está en el diseño de la herramienta tipo barril, que fue concebido específicamente para el mecanizado de blisks. La compañía diseñó la herramienta para adaptarse mejor a la forma de los álabes.

Además, el redondeo de borde definido da como resultado menores fuerzas de corte en todas las direcciones, y los dientes con una separación desigual reducen la vibración.

“Típicamente, las herramientas de barril son críticas porque comienzan a excitar la vibración más fácilmente debido a su área de contacto más grande”, dice Bacon. “Esto puede hacer que su aplicación sea bastante complicada, especialmente cuando se usan herramientas estándar”.

El nuevo diseño de seis dientes permite profundidades de corte axiales significativamente más altas y altas velocidades de avance. “El proceso convencional tomaba aproximadamente 100 pasadas para terminar las cuchillas”, explica Bacon.

“Ahora, la mayor profundidad de corte axial de 3 mm reduce las pasadas necesarias a 10”. El radio más grande de la herramienta tipo barril permite un mayor contacto con la pieza y, por lo tanto, pasos más grandes, lo que reduce el número de pasadas que la herramienta necesita para la fresa de punta esférica, reduciendo los tiempos de ciclo.

A cambio, las fuerzas son mucho más grandes debido al mayor contacto, por lo tanto, tienden a excitar las partes más fácilmente y a menudo causan vibración. “Con nuestro diseño de herramienta específico, podemos contrarrestar estos efectos”, dice. Las rutas de las herramientas fueron impulsadas por el software PSI+ CAM de Starrag, especialmente diseñado para componentes de múltiples álabes, como blisks y rodetes.

Otro ejemplo en el que Starrag aplicó con éxito la nueva estrategia de fresado fue en el desarrollo de un proceso más efectivo para un cliente que trabaja en la manufactura de blisks de compresores (STC 800 Blisk) fabricados con la misma aleación Ti6Al4V. El cliente tiene cuatro máquinas Starrag y buscó la compañía con la esperanza de que pudiera diseñar una estrategia para reducir los largos tiempos de mecanizado.

Los blisks de 650 mm de diámetro tienen 50 cuchillas. La tolerancia requerida del perfil era de 80 micras y la calidad superficial requerida era de 0.8 micras Ra. Según Starrag, la estrategia de fresado optimizada, explicada anteriormente, redujo el tiempo de mecanizado original de 300 horas a 70 horas, logrando así un ahorro del 400 por ciento.

Características Clave de las máquinas-herramienta de 5 ejes para blisks

La máquina utilizada en los estudios de casos mencionados anteriormente, una Starrag NB 251, es una máquina-herramienta de cinco ejes que está específicamente diseñada para el mecanizado completo de blisks. Implementa cada paso del proceso de producción, desde el desbaste eficiente de material sólido y el mecanizado adaptativo de blisks soldados por fricción, hasta el acabado altamente dinámico de superficies de flujo en el punto de contacto.

Según Bacon, una de las principales características que asegura una alta dinámica para el mecanizado productivo es el bajo número de masas en movimiento. En comparación con las máquinas con una mesa giratoria inclinable, la serie NB presenta un eje B en ángulo, lo que permite que la herramienta gire alrededor de su punto central.

Debido a que la punta de la herramienta se encuentra muy cerca del centro de rotación, los movimientos de compensación de los ejes son cinco veces más cortos en comparación con las máquinas con una mesa giratoria inclinable, lo que lleva a tiempos de mecanizado más cortos, explica Bacon.

En una mesa giratoria inclinable, los ejes lineales deben realizar un movimiento de compensación (digamos 200 mm), mientras que con la punta de la herramienta en el centro de rotación se necesitaría un movimiento de solo 50 mm.

“Esto tiene un gran efecto, especialmente para el acabado, porque podemos ir mucho más rápido alrededor del álabe del blisk. La distancia más corta también ayuda a mejorar la rigidez para que puedan realizar cortes más agresivos sin preocuparse por vibraciones o castañeo”. Como resultado, el cliente puede lograr tiempos de ciclo hasta 25 por ciento más cortos.