CNC-bearbeiding av titanlegeringer

Titanlegeringer har fått ry på seg som “romaldermetaller” på grunn av deres eksepsjonelle kombinasjon av egenskaper, som gjør dem uunnværlige i høytytende applikasjoner i ulike bransjer. Selv om deres unike egenskaper gir betydelige fordeler, medfører de også særskilte utfordringer ved CNC-bearbeiding som krever spesialisert kunnskap, teknikker og utstyr. Denne artikkelen gir en omfattende oversikt over CNC-bearbeiding av titanlegeringer, og dekker deres viktigste egenskaper, vanlige kvaliteter, utfordringer ved bearbeiding, beste praksis, applikasjoner og relaterte hensyn.

CNC-bearbeiding av medisinske produkter av titanlegering

Viktige egenskaper og fordeler ved titanlegeringer

Titanlegeringer utmerker seg med en rekke overlegne egenskaper som gjør dem svært ettertraktede for kritiske anvendelser:

Eksepsjonelt styrke-vekt-forhold: Titandeler kan måle seg med strekkfastheten til visse ståltyper, samtidig som de veier omtrent halvparten så mye – bare 40% tyngre enn aluminium og 40% lettere enn stål, noe som gjør dem ideelle for bransjer hvor vektreduksjon er avgjørende uten at det går på bekostning av strukturell integritet.
Overlegen korrosjonsbestandighet: Titan danner et beskyttende oksidlag når det utsettes for luft, som kan reparere seg selv, slik at det tåler korrosjon fra sjøvann, kjemikalier og tøffe miljøer. Denne egenskapen gjør det til et førstevalg for marine, kjemiske prosesser og offshore-applikasjoner.
Biokompatibilitet: Titaniumlegeringer er giftfrie og kompatible med menneskelig vev, og fremmer osseointegrasjon (forbindelsen mellom bein og implantater), noe som gjør dem mye brukt i medisinske og dentale enheter.
Høy temperaturbestandighet: Med et høyt smeltepunkt beholder titan sin styrke og stabilitet selv under ekstreme temperaturforhold, og er egnet for jetmotorer, rakettkomponenter og industrielt utstyr som utsettes for høy varme.
Gjenvinnbarhet: Titan er fullt resirkulerbart, noe som er i tråd med bærekraftige produksjonsmetoder, samtidig som det beholder sine kjerneegenskaper.

Vanlige titankvaliteter for CNC-bearbeiding

Titan er tilgjengelig i nesten 40 ASTM-kvaliteter, inkludert kommersielt rent titan (kvalitet 1–4) og titanlegeringer (kvalitet 5 og høyere), hver tilpasset spesifikke bruksområder:

Grad 1 (kommersielt ren, lavt oksygeninnhold): Har utmerket korrosjonsbestandighet, høy slagfasthet og enkel bearbeidbarhet, men er mindre sterk enn andre kvaliteter. Bruksområder inkluderer kjemisk prosessering, varmevekslere, avsaltingssystemer, bildeler, flyskrog og medisinsk utstyr.
Grad 2 (kommersielt ren, standard oksygeninnhold): Sterkere enn klasse 1 med høy korrosjonsbestandighet, god duktilitet, formbarhet, sveisbarhet og bearbeidbarhet. Brukes i flyskrog, flymotorer, hydrokarbonprosessering, marint utstyr, medisinsk utstyr og kloratproduksjon.
Grad 3 (kommersielt ren, middels oksygeninnhold): Vanskeligere å forme enn grad 1 og 2, men har høy styrke og korrosjonsbestandighet med god bearbeidbarhet. Vanlig i luftfart, maritim og medisinsk bruk.
Grad 4 (kommersielt ren, høyt oksygeninnhold): Den sterkeste av de rene titankvalitetene, med utmerket korrosjonsbestandighet. Krever høye matehastigheter, lave hastigheter og høy kjølevæskestrøm på grunn av vanskelig bearbeidbarhet. Bruksområder inkluderer kryogene beholdere, varmevekslere, hydraulikk, flyskrog, kirurgisk utstyr og marint utstyr.
Grad 5 (Ti6Al4V): Den mest brukte titanlegeringen (står for omtrent halvparten av det globale titanforbruket), legert med 6% aluminium og 4% vanadium. Balanserer høy korrosjonsbestandighet og utmerket formbarhet, men har dårlig bearbeidbarhet. Ideell for flykonstruksjoner, flymotorer, kraftproduksjon, medisinsk utstyr, marint/offshore utstyr og hydraulikk.
Grad 6 (Ti5Al-2,5Sn): Har god sveisbarhet, stabilitet og styrke ved høye temperaturer med middels styrke for titanlegeringer. Brukes i beholdere for flytende gass/drivstoff til raketter, flyskrog, jetmotorer og romfartøyer.
Grad 7 (Ti-0,15Pd): Ofte ansett som rent, men inneholder små mengder palladium, noe som gir overlegen korrosjonsbestandighet, utmerket sveisbarhet og formbarhet (men lavere styrke enn andre legeringer). Brukes i deler til kjemisk prosessering og produksjonsutstyr.
Grad 11 (Ti-0,15Pd): Ligner på klasse 7 med utmerket korrosjonsbestandighet, duktilitet og formbarhet, men enda lavere styrke. Brukes i avsalting, marine og kloratproduksjon.
Grad 12 (Ti0,3Mo0,8Ni): Gir høy styrke ved høye temperaturer, god sveisbarhet og korrosjonsbestandighet, men er dyrere enn andre legeringer. Egnet for hydrometallurgiske anvendelser, fly-/marinekomponenter og varmevekslere.
Grad 23 (Ti6Al4V-ELI): Har god formbarhet, duktilitet, god bruddseighet og ideell biokompatibilitet, men dårlig bearbeidbarhet. Brukes ofte i ortodontiske apparater, ortopediske pinner/skruer, kirurgiske stifter og ortopediske kabler.

Utfordringer ved CNC-bearbeiding av titanlegeringer

Til tross for sine fordeler, utgjør titanlegeringer unike utfordringer som krever spesialiserte tilnærminger:

Lav varmeledningsevne: Titan avgir varme sakte, noe som fører til lokal varmeoppbygging under bearbeiding. Dette akselererer ikke bare verktøyslitasje, men medfører også risiko for deformasjon av arbeidsstykket, herding under bearbeiding og til og med brannfare.
Arbeidshærdende tendens: Materialet herder raskt når det utsettes for skjærkrefter, noe som gjør påfølgende kutt vanskeligere og øker belastningen på verktøyet.
Fleksibilitet og vibrasjon: Titanets styrke til tross for sin fleksibilitet, noe som kan forårsake vibrasjoner (skjelving) under bearbeiding. Dette krever robuste arbeidsfesteanordninger og stabile bearbeidingsoppsett for å opprettholde presisjonen.
Galling og oppbygget kant (BUE): Titanets “klebrige” egenskaper, spesielt i kommersielt rene kvaliteter, gjør at det fester seg til skjæreverktøy og danner BUE og gnagsår. Dette svekker skjæreytelsen, reduserer verktøyets levetid og forringer overflatefinishen.
Verktøyslitasje: Titanets hardhet og slipevne fører til raskere slitasje på verktøy, noe som krever holdbare verktøymaterialer og belegg.

Bearbeidingsprosesser, tips og teknikker

For å overvinne disse utfordringene og sikre resultater av høy kvalitet, er følgende beste praksis avgjørende:

Verktøyvalg og belegg

Bruk skjæreverktøy laget av slitesterkt karbid eller belagt høyhastighetsstål (HSS) med kombinasjoner av wolfram, karbon og vanadium, som kan opprettholde hardhet opp til 600 ℃.
Velg verktøybelegg som er utviklet for bearbeiding av titan, for eksempel titanaluminiumnitrid (TiAlN), aluminiumtitanitrid (AlTiN Nano) eller titankarbonitrid (TiCN). Disse beleggene danner et beskyttende oksidlag ved høye temperaturer, reduserer varmeoverføring, forbedrer smøreevnen og forhindrer gnaging. HLWs HVTI-endefræser (optimalisert for høyeffektiv fresing) og Aplus-belegg er utmerkede valg for forbedret verktøylevetid og ytelse.

Arbeidshold og stabilitet

Bruk stive, sikre arbeidsfestesystemer for å minimere avbøyning og vibrasjon av arbeidsstykket. Unngå avbrutte kutt og hold verktøyet i konstant bevegelse under kontakt med arbeidsstykket – å bli stående i borede hull eller stoppe nær profilerte vegger forårsaker overflødig varme og verktøyslitasje.
Bruk en endefræser med større kjernediameter, minimer overhenget mellom spindelnesen og verktøyspissen, og oppretthold jevn mating og hastighet for å redusere vibrasjoner.

Produktbilder av CNC-bearbeiding av titanlegering

Kjøling og smøring

Bruk høyt trykk og store mengder kjølevæske med utmerkede smøre- og kjøleegenskaper (f.eks. emulsjonsbaserte kjølevæsker) for å spre varmen, skylle bort spon og forhindre BUE og gnaging. Rett kjølevæskestrømmen direkte mot skjæreflaten for optimal effekt.

Bearbeidingsstrategier og parametere

Bruk klatrefresing (i stedet for konvensjonell fresing) for å redusere varmeoverføringen til arbeidsstykket. Klatrefresing produserer spon som starter tykke og tynne, noe som fremmer varmeavledning til sponene og sikrer en renere skjæring.
Bruk lavere skjærehastigheter (vanligvis 18–30 meter per minutt / 60–100 fot per minutt) kombinert med høyere matehastigheter og større sponbelastninger for å minimere varmeutvikling og arbeidsherding. Juster hastighetene basert på titankvaliteten, verktøyet og maskinens stivhet.
For inn- og utskjæringer, før verktøyet forsiktig inn i materialet eller bruk avfasninger for å gradvis øke/redusere trykket, slik at verktøystøt og materialrivning reduseres.
Bruk verktøy med mindre diameter for å øke eksponeringen for luft og kjølevæske, slik at skjærekanten kan kjøles ned mellom skjærene.
Forenkle komplekse geometrier i deldesign (f.eks. større radier, jevn veggtykkelse, unngå dype lommer) for å effektivisere maskinering og redusere belastningen på verktøyet.

Hensyn ved utforming av deler

Bruk CAD/CAM-programvare (f.eks. sammen med simuleringsverktøy som ANSYS) for presis deldesign og generering av verktøybane. Godt designede fixturer og jigger er avgjørende for å opprettholde stabilitet og nøyaktighet.
Inkorporer prinsipper for design for produksjonsdyktighet (DFM) – HLW gir DFM-tilbakemelding (både AI-drevet og menneskelig) for å optimalisere deldesign for effektivitet, kvalitet og kostnadseffektivitet.

Anvendelser av CNC-bearbeidede titandeler

CNC-bearbeidede titandeler er en integrert del av mange krevende bransjer:

Luftfart: Den viktigste forbrukeren av titan, som brukes i komponenter til flyseter, aksler, turbinedeler, ventiler, oksygenproduksjonssystemer, flyskrog og rakettkomponenter. Den lave vekten og høye varmebestandigheten muliggjør drivstoffeffektivitet og ytelse ved supersoniske hastigheter.
Medisinsk og tannlege: Biokompatible titanlegeringer brukes i hofte-/kne-/albue-/skulderleddsproteser, bein-/tann-/kranieskruer, ryggradsfikseringstenger, lårbenshodeimplantater, ortopediske pinner, kirurgiske stifter og tannkroner/broer/implantater.
Militær og forsvar: Brukes i militær luftfart, missiler, artilleri, ubåter, landkjøretøyer (for ballistisk motstand) og maritimt utstyr.
Marine/Sjøforsvaret: Egnet for propellaksler til avsalting av sjøvann, utstyr for utvinning av undervannsressurser, rigging, undervannsroboter, marine varmevekslere, propeller og rørsystemer – takket være korrosjonsbestandigheten og den lave vekten.
Bilindustri: Brukes til å redusere vekt og drivstofforbruk, med anvendelser i ventiler, ventilfjærer, motorstempelbolter, holdere og bremseklavepistonger.
Forbruksvarer: Brukes i sportsutstyr (golfkøller, sykkelrammer, baseballkøller, tennisracketer, campingutstyr) og smykker (klokker, brillerammer, gifteringer, halskjeder) på grunn av sin lette vekt og attraktive utseende.
Kjemisk prosessering: Brukes i varmevekslere, avsaltingssystemer og deler til produksjonsutstyr på grunn av sin korrosjonsbestandighet.

Overflatebehandlingsalternativer

Overflatebehandling forbedrer funksjonaliteten, holdbarheten og estetikken til CNC-bearbeidede titandeler:

Anodisering: Et vanlig valg som øker korrosjonsbestandigheten, minimerer vektøkningen, reduserer friksjonen og forbedrer utseendet.
Mekaniske overflatebehandlinger: Polering, perleblåsing og børsting for å redusere overflateruhet og oppnå ønsket tekstur.
Belegg: PVD-belegg, pulverlakkering, forkroming og elektroforese for forbedret beskyttelse og ytelse.
Andre behandlinger: Maling for estetisk tilpasning. HLW tilbyr opptil 6 etterbehandlingsalternativer, inkludert perleblåsing, pulverlakkering, glatt maskinering og polering.

Økonomiske hensyn

Titanets høyere pris (på grunn av strenge kvalitetsstandarder og økende etterspørsel) krever strategisk kostnadsoptimalisering:

Sammenlign titanpriser med alternativer (f.eks. stål, aluminium) for ikke-kritiske bruksområder.
Optimaliser verktøyets levetid, bearbeidingstid og materialbruk for å redusere avfall.
Spor og minimer kostnader knyttet til verktøy, kjølevæske, arbeidskraft, energi og avfallshåndtering.
Utnytt titanets lange levetid og holdbarhet for langsiktige kostnadsbesparelser. HLWs nettverk av over 1600 frese- og dreiemaskiner sikrer konkurransedyktige priser og effektiv produksjon for både små og komplekse bestillinger.

Sikkerhetsforanstaltninger og bransjestandarder

Sikkerhetsrutiner

Bruk personlig verneutstyr (PPE) for å redusere risikoen fra flygende gjenstander, kjølevæske og brannfare.
Følg riktige håndterings- og oppbevaringsprosedyrer for titanmaterialer, kjølevæsker og spon.
Implementer brannforebyggende tiltak og beredskapsplaner, da overdreven varme kan utgjøre en brannfare.
Utfør regelmessig vedlikehold av maskiner og opplær operatører i sikre maskineringsteknikker.
Kast titanflis, kjølevæske og avfall på riktig måte for å sikre sikkerhet på arbeidsplassen og overholdelse av miljøkrav.

Bransjestandarder og sertifiseringer

For å sikre kvalitet og pålitelighet følger CNC-bearbeiding av titan strenge bransjestandarder og sertifiseringer:

ASTM-standarder: ASTM B265 (titanstrimmel/ark/plate), ASTM F136 (kirurgisk implantat Ti6Al4V ELI), ASTM F1472 (kirurgisk implantat Ti6Al4V).
ISO-standarder: ISO 5832-2 (implantater av ulegeret titan), ISO 5832-3 (implantater av Ti6Al4V-legering), ISO 9001 (kvalitetsstyringssystemer), ISO 13485 (kvalitetsstyring av medisinsk utstyr).
SAE-standarder: SAE AMS 4911 (glødet Ti6Al4V-plate/bånd/plate).
SertifiseringerAS9100 (kvalitetsstyring for luftfart/romfart/forsvar) er avgjørende for komponenter til luftfart og romfart.

HLWs CNC-maskineringstjenester for titanlegeringer

HLW tilbyr omfattende CNC-maskineringstjenester for titanlegeringer, og utnytter toppmoderne utstyr (3-akset og 5-akset CNC-fresing, dreining, boring, boring) og ekspertise for å levere høykvalitetsdeler med raske leveringstider (vanligvis under 10 dager). Våre tjenester inkluderer:

Spesialtilpasset bearbeiding av titan av kvalitet 1–5, 7, 11, 12, 23 og andre legeringer.
DFM-tilbakemelding (øyeblikkelig AI og menneskelig) for å optimalisere deldesign for produserbarhet, kostnad og kvalitet.
En rekke overflatebehandlingsalternativer for å oppfylle funksjonelle og estetiske krav.
Overholdelse av bransjestandarder (ASTM, ISO, SAE) og sertifiseringer (ISO 9001, AS9100, ISO 13485) for kritiske anvendelser.
Konkurransedyktige priser og fleksibel produksjonskapasitet for å imøtekomme små ordrer og komplekse geometrier med strenge toleranser (±0,125 mm / ±0,005″).

For å komme i gang, last opp CAD-filen (.STL) til HLWs plattform for å få et øyeblikkelig pristilbud. For spørsmål, kontakt oss på 18664342076 eller info@helanwangsf.com. HLW er opptatt av å hjelpe deg med å takle utfordringene ved CNC-bearbeiding av titan og levere eksepsjonelle resultater for dine mest krevende prosjekter.