Slitiny titanu si díky své výjimečné kombinaci vlastností získaly pověst “kovů kosmického věku”, které jsou nepostradatelné ve vysoce výkonných aplikacích v různých průmyslových odvětvích. Přestože jejich jedinečné vlastnosti nabízejí významné výhody, představují také odlišné výzvy při CNC obrábění, které vyžadují specializované znalosti, techniky a vybavení. Tento článek poskytuje ucelený přehled CNC obrábění titanových slitin a zabývá se jejich klíčovými vlastnostmi, běžnými třídami, problémy při obrábění, osvědčenými postupy, aplikacemi a souvisejícími úvahami.
Klíčové vlastnosti a výhody slitin titanu
Slitiny titanu se vyznačují řadou vynikajících vlastností, díky nimž jsou velmi žádané pro kritické aplikace:
- Výjimečný poměr pevnosti k hmotnosti: Titanové díly se vyrovnají pevnosti v tahu některých ocelí a přitom váží přibližně o polovinu méně - pouze 40% je těžší než 40%. hliník a 40% lehčí než ocel, což je ideální pro odvětví, kde je snížení hmotnosti prvořadé, aniž by byla ohrožena konstrukční integrita.
- Vynikající odolnost proti korozi: Titan vytváří na vzduchu ochrannou vrstvu oxidu, která se sama obnovuje, takže odolává korozi způsobené mořskou vodou, chemikáliemi a drsným prostředím. Tato vlastnost z něj činí nejlepší volbu pro námořní a chemická zpracování a pro použití na moři.
- Biokompatibilita: Slitiny titanu jsou netoxické a kompatibilní s lidskou tkání, podporují osteointegraci (spojení mezi kostí a implantátem), a proto se hojně používají v lékařských a stomatologických zařízeních.
- Odolnost vůči vysokým teplotám: Díky vysokému bodu tání si titan zachovává pevnost a stabilitu i v extrémních teplotních podmínkách a je vhodný pro tryskové motory, raketové komponenty a průmyslová zařízení s vysokými teplotami.
- Recyklovatelnost: Titan je plně recyklovatelný, což je v souladu s udržitelnými výrobními postupy a zároveň si zachovává své základní vlastnosti.
Běžné třídy titanu pro CNC obrábění
Titan je k dispozici v téměř 40 třídách ASTM, včetně komerčně čistého titanu (třídy 1-4) a titanových slitin (třídy 5 a vyšší), z nichž každá je přizpůsobena konkrétním aplikacím:
- Třída 1 (komerčně čistá, s nízkým obsahem kyslíku): Nabízí vynikající odolnost proti korozi, vysokou rázovou houževnatost a snadnou obrobitelnost, i když je méně pevný než ostatní třídy. Použití zahrnuje chemické zpracování, tepelné výměníky, odsolovací systémy, automobilové díly, rámy letadel a lékařské přístroje.
- Třída 2 (komerčně čistá, standardní obsah kyslíku): Pevnější než třída 1 s vysokou odolností proti korozi, dobrou tažností, tvářitelností, svařitelností a obrobitelností. Používá se v dracích letadel, leteckých motorech, při zpracování uhlovodíků, v námořním vybavení, ve zdravotnických zařízeních a při výrobě chlorečnanů.
- Třída 3 (komerčně čistá, střední obsah kyslíku): Obtížněji tvarovatelné než třídy 1 a 2, ale vyznačují se vysokou pevností a odolností proti korozi a slušnou obrobitelností. Běžně se používá v leteckém a lodním průmyslu a ve zdravotnictví.
- Třída 4 (komerčně čistá, s vysokým obsahem kyslíku): Nejpevnější z čistých tříd titanu s vynikající odolností proti korozi. Vyžaduje vysoké posuvy, nízké rychlosti a vysoký průtok chladicí kapaliny kvůli obtížné obrobitelnosti. Mezi aplikace patří kryogenní nádoby, tepelné výměníky, hydraulika, letecké rámy, chirurgický hardware a lodní zařízení.
- Třída 5 (Ti6Al4V): Nejpoužívanější titanová slitina (tvoří asi polovinu celosvětové spotřeby titanu), legovaná hliníkem 6% a vanadem 4%. Vyvažuje vysokou odolnost proti korozi a vynikající tvářitelnost, ale má špatnou obrobitelnost. Ideální pro konstrukce draků letadel, letecké motory, výrobu energie, lékařské přístroje, lodní a pobřežní zařízení a hydrauliku.
- Třída 6 (Ti5Al-2,5Sn): Vyznačuje se dobrou svařitelností, stabilitou a pevností při vysokých teplotách se střední pevností pro titanové slitiny. Používá se v kontejnerech na kapalné plyny/pohonné látky pro rakety, rámy letadel, proudové motory a kosmické lodě.
- Třída 7 (Ti-0,15Pd): Často se považuje za čistou, ale obsahuje malé množství palladia, které nabízí vynikající odolnost proti korozi, vynikající svařitelnost a tvářitelnost (i když má nižší pevnost než jiné slitiny). Používá se v dílech pro chemické zpracování a ve výrobních zařízeních.
- Třída 11 (Ti-0,15Pd): Podobně jako třída 7 s vynikající odolností proti korozi, tažností a tvářitelností, ale s ještě nižší pevností. Používá se při odsolování, v námořnictví a při výrobě chlorečnanů.
- Třída 12 (Ti0,3Mo0,8Ni): Poskytuje vysokou pevnost při vysokých teplotách, skvělou svařitelnost a odolnost proti korozi, ale je dražší než ostatní slitiny. Vhodné pro hydrometalurgické aplikace, letecké/námořní součásti a výměníky tepla.
- Třída 23 (Ti6Al4V-ELI): Nabízí skvělou tvařitelnost, tažnost, slušnou lomovou houževnatost a ideální biokompatibilitu, ale špatnou obrobitelnost. Běžně se používá v ortodontických pomůckách, ortopedických kolících/šroubech, chirurgických sponách a ortopedických kabelech.
Výzvy při CNC obrábění slitin titanu
Navzdory svým výhodám představují titanové slitiny jedinečné výzvy, které vyžadují specializované přístupy:
- Nízká tepelná vodivost: Titan pomalu odvádí teplo, což vede k lokálnímu nárůstu tepla při obrábění. To nejen urychluje opotřebení nástroje, ale také hrozí deformace obrobku, kalení při obrábění, a dokonce i nebezpečí požáru.
- Tendence ke zpevňování práce: Při působení řezných sil materiál rychle tvrdne, což znesnadňuje následné řezy a zvyšuje namáhání nástroje.
- Pružnost a vibrace: Pevnost titanu je v rozporu s jeho pružností, která může při obrábění způsobovat vibrace (chvění). To vyžaduje robustní systémy upínání obrobků a stabilní nastavení obrábění, aby byla zachována přesnost.
- Žlábkování a zastavěná hrana (BUE): “Gumovitá” povaha titanu, zejména u komerčně čistých druhů, způsobuje jeho ulpívání na řezných nástrojích, což vede k tvorbě BUE a zadírání. To zhoršuje řezný výkon, snižuje životnost nástroje a zhoršuje kvalitu povrchu.
- Opotřebení nástrojů: Tvrdost a abrazivita titanu vede k rychlejší degradaci nástroje, což vyžaduje odolné materiály a povlaky.
Procesy, tipy a techniky obrábění
K překonání těchto problémů a zajištění kvalitních výsledků jsou nezbytné následující osvědčené postupy:
Výběr nástrojů a povlakování
- Používejte řezné nástroje vyrobené z odolného karbidu nebo z rychlořezné oceli (HSS) s povlakem s kombinací wolframu, uhlíku a vanadu, které si mohou udržet tvrdost až 600 ℃.
- Vyberte si povlaky nástrojů určené pro obrábění titanu, jako je nitrid titanu a hliníku (TiAlN), nitrid hliníku a titanu (AlTiN Nano) nebo karbo-nitrid titanu (TiCN). Tyto povlaky vytvářejí při vysokých teplotách ochrannou vrstvu oxidu, snižují přenos tepla, zvyšují mazivost a zabraňují zadírání. HVTI čelní fréza HLW (optimalizovaná pro vysoce účinné frézování) a povlak Aplus jsou vynikající volbou pro zvýšení životnosti a výkonu nástroje.
Obrábění a stabilita
- Používejte tuhé a bezpečné upínací systémy, abyste minimalizovali průhyb obrobku a vibrace. Vyvarujte se přerušovaných řezů a udržujte nástroj v neustálém pohybu během kontaktu s obrobkem - setrvávání ve vyvrtaných otvorech nebo zastavování v blízkosti profilovaných stěn způsobuje nadměrné zahřívání a opotřebení nástroje.
- Používejte frézy s větším průměrem jádra, minimalizujte přesah mezi špičkou vřetena a hrotem nástroje a udržujte konstantní posuvy a otáčky, abyste omezili třepení.
Chlazení a mazání
- Používejte vysokotlaké, velké množství chladicí kapaliny s vynikajícími mazacími a chladicími vlastnostmi (např. chladicí kapaliny na bázi emulzí), abyste odváděli teplo, odplavovali třísky a zabránili vzniku trhlin a zadírání. Proud chladicí kapaliny nasměrujte přímo na řeznou plochu, abyste dosáhli optimálního výkonu.
Strategie a parametry obrábění
- Použití stoupavého frézování (namísto běžného frézování) snižuje přenos tepla na obrobek. Při stoupavém frézování vznikají třísky, které začínají tlusté a tenké, což podporuje odvod tepla do třísek a zajišťuje čistší střih.
- Používejte nižší řezné rychlosti (obvykle 18-30 metrů za minutu / 60-100 stop za minutu) ve spojení s vyššími rychlostmi posuvu a větším množstvím třísek, abyste minimalizovali hromadění tepla a kalení. Rychlosti upravujte podle třídy titanu, nástrojů a tuhosti stroje.
- Při vstupních a výstupních řezech obloukem jemně zasahujte do materiálu nebo použijte zkosení pro postupné zvyšování/snižování přítlaku, čímž snížíte rázy nástroje a trhání materiálu.
- Používejte nástroje s menším průměrem, abyste zvýšili působení vzduchu a chladicí kapaliny a umožnili tak chlazení břitu mezi řezy.
- Zjednodušte složité geometrie při návrhu dílů (např. větší poloměry, rovnoměrná tloušťka stěn, zamezení hlubokých kapes), abyste zefektivnili obrábění a snížili namáhání nástroje.
Úvahy o konstrukci dílů
- Používejte software CAD/CAM (např. ve spojení se simulačními nástroji, jako je ANSYS) pro přesný návrh dílů a generování drah nástrojů. Dobře navržené upínací přípravky a přípravky mají zásadní význam pro zachování stability a přesnosti.
- Začlenění zásad návrhu pro vyrobitelnost (DFM) - společnost HLW poskytuje zpětnou vazbu DFM (řízenou umělou inteligencí i lidmi) pro optimalizaci návrhů dílů z hlediska efektivity, kvality a nákladové efektivity.
Aplikace CNC obráběných titanových dílů
CNC obráběné titanové díly jsou nedílnou součástí mnoha průmyslových odvětví s vysokou poptávkou:
- Letecký průmysl: Hlavní spotřebitel titanu, který se používá v součástech sedadel letadel, hřídelích, částech turbín, ventilech, systémech výroby kyslíku, dracích letadel a součástech raket. Jeho nízká hmotnost a vysoká tepelná odolnost umožňují efektivní využití paliva a výkon při nadzvukových rychlostech.
- Lékařské stránky a zubní: Biokompatibilní titanové slitiny se používají v náhradách kyčelních, kolenních, loketních a ramenních kloubů, kostních, zubních a lebečních šroubech, páteřních fixačních tyčích, implantátech hlavy stehenní kosti, ortopedických čepů, chirurgických sponách a zubních korunkách, mostech a implantátech.
- Vojenství a obrana: Používá se ve vojenském letectví, raketách, dělostřelectvu, ponorkách, pozemních vozidlech (pro balistickou odolnost) a námořním vybavení.
- Námořní/námořní doprava: Vhodný pro hřídele vrtulí pro odsolování mořské vody, zařízení pro těžbu podmořských zdrojů, lanoví, podvodní robotiku, námořní výměníky tepla, vrtule a potrubní systémy - s využitím jeho odolnosti proti korozi a lehkých vlastností.
- Automobilový průmysl: Používá se ke snížení hmotnosti a spotřeby paliva a nachází uplatnění ve ventilech, ventilových pružinách, pístních čepích motorů, v opěrkách a pístcích brzdových třmenů.
- Spotřební zboží: Díky své lehkosti a atraktivnímu vzhledu se používá ve sportovním vybavení (golfové hole, rámy na kola, baseballové pálky, tenisové rakety, kempinkové vybavení) a špercích (hodinky, obroučky brýlí, snubní prsteny, náhrdelníky).
- Chemické zpracování: Pro svou odolnost proti korozi se používá ve výměnících tepla, odsolovacích systémech a částech výrobních zařízení.
Možnosti povrchové úpravy
Povrchová úprava zlepšuje funkčnost, odolnost a estetiku titanových dílů obráběných na CNC strojích:
- Eloxování: Běžná volba, která zvyšuje odolnost proti korozi, minimalizuje nárůst hmotnosti, snižuje tření a zlepšuje vzhled.
- Mechanické povrchové úpravy: Leštění, tryskání a kartáčování pro snížení drsnosti povrchu a dosažení požadované struktury.
- Nátěry: PVD povlakování, práškové lakování, chromování a elektroforéza pro lepší ochranu a výkon.
- Další ošetření: Malování pro estetické přizpůsobení. HLW nabízí až 6 možností následného zpracování, včetně tryskání, práškového lakování, hladkého opracování a leštění.
Ekonomické aspekty
Vyšší cena titanu (v důsledku přísných kvalitativních norem a rostoucí poptávky) vyžaduje strategickou optimalizaci nákladů:
- Porovnejte ceny titanu s alternativami (např. ocel, hliník) pro nekritické aplikace.
- Optimalizujte životnost nástroje, dobu obrábění a spotřebu materiálu, abyste snížili množství odpadu.
- Sledování a minimalizace nákladů na nástroje, chladicí kapalinu, pracovní sílu, energii a odpadové hospodářství.
- Využijte dlouhou životnost a odolnost titanu pro dlouhodobé úspory nákladů. Síť více než 1 600 frézovacích a soustružnických strojů společnosti HLW zajišťuje konkurenceschopné ceny a efektivní výrobu pro nízké objemy i složité zakázky.
Bezpečnostní opatření a průmyslové normy
Bezpečnostní postupy
- Používejte osobní ochranné prostředky (OOP), abyste omezili rizika odletujících úlomků, chladicí kapaliny a nebezpečí požáru.
- Dodržujte správné postupy manipulace a skladování titanových materiálů, chladicích kapalin a třísek.
- Provádějte protipožární opatření a plány pro případ nouze, protože nadměrné teplo může představovat riziko požáru.
- Provádět pravidelnou údržbu strojů a školit obsluhu o bezpečném obrábění.
- Titanové třísky, chladicí kapalinu a odpad řádně zlikvidujte, abyste zajistili bezpečnost práce a dodržování předpisů o ochraně životního prostředí.
Průmyslové normy a certifikace
Pro zajištění kvality a spolehlivosti se při CNC obrábění titanu dodržují přísné průmyslové normy a certifikace:
- Normy ASTM: ASTM B265 (titanový pás/plát/deska), ASTM F136 (chirurgický implantát Ti6Al4V ELI), ASTM F1472 (chirurgický implantát Ti6Al4V).
- Normy ISO: ISO 5832-2 (implantáty z nelegovaného titanu), ISO 5832-3 (implantáty ze slitiny Ti6Al4V), ISO 9001 (systémy řízení kvality), ISO 13485 (řízení kvality zdravotnických prostředků).
- Normy SAE: SAE AMS 4911 (žíhaný Ti6Al4V plech/pás/deska).
- Certifikace: AS9100 (řízení kvality v letectví/kosmonautice/obraně) je pro letecké a kosmické komponenty zásadní.
Služby společnosti HLW v oblasti CNC obrábění slitin titanu
Společnost HLW nabízí komplexní služby CNC obrábění titanových slitin s využitím nejmodernějšího vybavení (tříosé a pětiosé CNC frézování, soustružení, vrtání, vyvrtávání) a odborných znalostí, které umožňují dodávat vysoce kvalitní díly s rychlým termínem realizace (obvykle do 10 dnů). Naše schopnosti zahrnují:
- Zakázkové obrábění titanu tříd 1-5, 7, 11, 12, 23 a dalších slitin.
- Zpětná vazba DFM (okamžitá umělá inteligence a člověk) pro optimalizaci návrhů dílů z hlediska vyrobitelnosti, nákladů a kvality.
- Řada možností povrchové úpravy splňuje funkční i estetické požadavky.
- Dodržování průmyslových norem (ASTM, ISO, SAE) a certifikací (ISO 9001, AS9100, ISO 13485) pro kritické aplikace.
- Konkurenční ceny a flexibilní výrobní kapacita pro objednávky malých objemů a složité geometrie s úzkými tolerancemi (±0,125 mm / ±0,005″).
Chcete-li začít, nahrajte svůj soubor CAD (.STL) na platformu HLW a získejte okamžitou nabídku. V případě dotazů nás kontaktujte na adrese 18664342076 nebo info@helanwangsf.com. Společnost HLW se zavazuje, že vám pomůže zvládnout výzvy spojené s CNC obráběním titanu a zajistí výjimečné výsledky pro vaše nejnáročnější projekty.