Analysis and optimization of the Ti48AL2Cr2Nb titanium aluminide turning process under environmentally sustainable conditions

Resumen

Los aluminuros de titanio se consideran uno de los materiales más prometedores en aplicaciones aeronáuticas y de automoción gracias a su buena relación resistencia-peso. Sin embargo, su baja maquinabilidad dificulta el postprocesamiento de estas aleaciones. El aluminuro Ti48Al2Cr2Nb destaca como uno de los más interesantes para aplicaciones de alta temperatura. Esta tesis doctoral surge de la necesidad de mejorar los procesos de torneado de esta aleación, haciéndola apta para la industria y aumentando su campo de aplicación. Para ello, se desarrolla en primer lugar un análisis tribológico, comprobando la eficacia de diferentes herramientas de carburo de wolframio, con y sin recubrimiento, en términos de fricción y desgaste. Los ensayos pin-on-disk permitieron conocer los mecanismos de fricción y desgaste a diferentes temperaturas para los pares Ti48AL2Cr2Nb-herramienta de carburo recubierta/sin recubrir. A continuación, para registrar algunos de los resultados más importantes del proceso de corte, como la temperatura y las fuerzas de corte, se diseña una metodología experimental. Además, se construyó un dinamómetro de tres ejes y la aplicación de la técnica del termopar natural herramienta-pieza fue evaluada. Este termopar se calibró y validó mediante un procedimiento experimental combinado de simulación por elementos finitos. Por otro lado, se analizan las variables que rigen la evolución del desgaste de la herramienta. De acuerdo con los mecanismos de desgaste encontrados, se propone una solución sencilla para mejorar el proceso de mecanizado. Esta consiste en incrementar la inclinación de la plaquita. La vida útil de la herramienta es ampliada, permitiendo el incremento de la velocidad de corte que se puede utilizar. Además, se estudia la influencia de las variables de corte sobre la calidad superficial y las alteraciones subsuperficiales de la pieza mecanizada. Los resultados de esta investigación han aportado una valiosa información para establecer las condiciones óptimas de corte. Teniendo en cuenta que en la literatura revisada no se encuentran modelos de desgaste expecíficamente diseñados para estas aleaciones, se plantea un nuevo modelo para describir la evolución del desgaste de flanco de la herramienta para el torneado en seco de este material. La ecuación obtenida es capaz de reproducir las tres etapas de desgaste, prediciendo la vida de la herramienta bajo las diferentes condiciones de corte experimentadas en esta investigación. Por último, se evalúa la eficacia de la técnica “mínima cantidad de lubricante” (MQL) con aceite de oliva refinado. Se elige este tipo de aceite por su alta biodegradabilidad y disponibilidad en el mercado. Se demuestra que la aplicación de la técnica MQL, combinada con la configuración óptima de la herramienta, incrementa su vida útil y mejora la calidad superficial de las piezas mecanizadas. De acuerdo con todo lo anterior, se ha logrado un avance sustancial en el campo del mecanizado de aluminuros de titanio en condiciones ambientalmente sostenibles, cubriendo muchas carencias existentes en la literatura y aumentando significativamente el estado del arte. Esta es la principal aportación de esta tesis doctoral.