CNC-bewerking van titaniumlegeringen

Titaniumlegeringen hebben een reputatie opgebouwd als “ruimtevaartmetalen” vanwege hun uitzonderlijke combinatie van eigenschappen, waardoor ze onmisbaar zijn in hoogwaardige toepassingen in verschillende industrieën. Hoewel hun unieke eigenschappen aanzienlijke voordelen bieden, brengen ze ook specifieke uitdagingen met zich mee bij CNC-bewerking, waarvoor gespecialiseerde kennis, technieken en apparatuur vereist zijn. Dit artikel biedt een uitgebreid overzicht van CNC-bewerking voor titaniumlegeringen, met aandacht voor hun belangrijkste eigenschappen, gangbare kwaliteiten, uitdagingen bij de bewerking, best practices, toepassingen en gerelateerde overwegingen.

Belangrijkste eigenschappen en voordelen van titaniumlegeringen

Titaniumlegeringen onderscheiden zich door een reeks superieure eigenschappen waardoor ze zeer gewild zijn voor kritische toepassingen:

• Uitzonderlijke sterkte-gewichtsverhoudingTitanium onderdelen evenaren de treksterkte van bepaalde staalsoorten, terwijl ze ongeveer de helft minder wegen – slechts 40% zwaarder dan aluminium en 40% lichter dan staal, waardoor ze ideaal zijn voor industrieën waar gewichtsvermindering van cruciaal belang is zonder dat dit ten koste gaat van de structurele integriteit.
• Superieure corrosiebestendigheidTitanium vormt een beschermende oxidelaag wanneer het wordt blootgesteld aan lucht, die zichzelf kan herstellen, waardoor het bestand is tegen corrosie door zeewater, chemicaliën en zware omstandigheden. Deze eigenschap maakt het een uitstekende keuze voor maritieme, chemische en offshore toepassingen.
• Biocompatibiliteit: Titaniumlegeringen zijn niet giftig en compatibel met menselijk weefsel en bevorderen osseo-integratie (de verbinding tussen bot en implantaten), waardoor ze veel worden gebruikt in medische en tandheelkundige apparatuur.
• Bestand tegen hoge temperaturen: Met een hoog smeltpunt behoudt titanium zijn sterkte en stabiliteit, zelfs onder extreme temperatuuromstandigheden, waardoor het geschikt is voor straalmotoren, raketonderdelen en industriële apparatuur die aan hoge temperaturen wordt blootgesteld.
• RecyclebaarheidTitanium is volledig recyclebaar, wat aansluit bij duurzame productiepraktijken, terwijl het zijn kernkenmerken behoudt.

Veelgebruikte titaniumkwaliteiten voor CNC-bewerking

Titanium is verkrijgbaar in bijna 40 ASTM-kwaliteiten, waaronder commercieel zuiver titanium (kwaliteiten 1–4) en titaniumlegeringen (kwaliteiten 5 en hoger), elk afgestemd op specifieke toepassingen:

• Graad 1 (commercieel zuiver, laag zuurstofgehalte): Biedt uitstekende corrosiebestendigheid, hoge slagvastheid en gemakkelijke bewerkbaarheid, hoewel het minder sterk is dan andere kwaliteiten. Toepassingen zijn onder meer chemische verwerking, warmtewisselaars, ontziltingssystemen, auto-onderdelen, vliegtuigrompen en medische apparatuur.
• Graad 2 (commercieel zuiver, standaard zuurstofgehalte): Sterker dan klasse 1 met hoge corrosiebestendigheid, goede ductiliteit, vervormbaarheid, lasbaarheid en bewerkbaarheid. Wordt gebruikt in vliegtuigrompen, vliegtuigmotoren, koolwaterstofverwerking, scheepsuitrusting, medische apparatuur en chloorproductie.
• Graad 3 (commercieel zuiver, gemiddeld zuurstofgehalte): Moeilijker te vormen dan graad 1 en 2, maar biedt een hoge sterkte en corrosiebestendigheid met een redelijke bewerkbaarheid. Veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, scheepvaart en medische toepassingen.
• Graad 4 (commercieel zuiver, hoog zuurstofgehalte): De sterkste onder de zuivere titaniumkwaliteiten, met een uitstekende corrosiebestendigheid. Vereist hoge voedingssnelheden, lage snelheden en een hoge koelmiddelstroom vanwege de moeilijke bewerkbaarheid. Toepassingen zijn onder meer cryogene vaten, warmtewisselaars, hydraulica, vliegtuigrompen, chirurgische apparatuur en scheepsuitrusting.
• Kwaliteit 5 (Ti6Al4V): De meest gebruikte titaniumlegering (goed voor ongeveer de helft van het wereldwijde titaniumverbruik), gelegeerd met 6% aluminium en 4% vanadium. Biedt een evenwicht tussen hoge corrosiebestendigheid en uitstekende vervormbaarheid, maar heeft een slechte bewerkbaarheid. Ideaal voor vliegtuigrompen, vliegtuigmotoren, energieopwekking, medische apparatuur, maritieme/offshore-apparatuur en hydraulica.
• Kwaliteit 6 (Ti5Al-2,5Sn): Heeft goede lasbaarheid, stabiliteit en sterkte bij hoge temperaturen met gemiddelde sterkte voor titaniumlegeringen. Wordt gebruikt in vloeibaar gas/stuwstofbehuizingen voor raketten, vliegtuigrompen, straalmotoren en ruimtevaartuigen.
• Kwaliteit 7 (Ti-0,15Pd)Vaak beschouwd als puur, maar bevat kleine hoeveelheden palladium, waardoor het superieure corrosiebestendigheid, uitstekende lasbaarheid en vervormbaarheid biedt (hoewel het minder sterk is dan andere legeringen). Toegepast in onderdelen voor chemische verwerkings- en productieapparatuur.
• Graad 11 (Ti-0,15Pd): Vergelijkbaar met klasse 7 met uitstekende corrosiebestendigheid, ductiliteit en vervormbaarheid, maar met een nog lagere sterkte. Wordt gebruikt in ontziltings-, maritieme en chloraatproductietoepassingen.
• Graad 12 (Ti0,3Mo0,8Ni): Biedt een hoge sterkte bij hoge temperaturen, uitstekende lasbaarheid en corrosiebestendigheid, maar is duurder dan andere legeringen. Geschikt voor hydrometallurgische toepassingen, vliegtuig-/scheepsonderdelen en warmtewisselaars.
• Kwaliteit 23 (Ti6Al4V-ELI): Biedt uitstekende vervormbaarheid, ductiliteit, redelijke breuktaaiheid en ideale biocompatibiliteit, maar slechte bewerkbaarheid. Wordt vaak gebruikt in orthodontische apparaten, orthopedische pinnen/schroeven, chirurgische nietjes en orthopedische kabels.

Uitdagingen bij CNC-bewerking van titaniumlegeringen

Ondanks hun voordelen brengen titaniumlegeringen unieke uitdagingen met zich mee die een gespecialiseerde aanpak vereisen:

• Lage thermische geleidbaarheidTitanium voert warmte langzaam af, wat tijdens het verspanen tot lokale warmteontwikkeling leidt. Dit versnelt niet alleen de slijtage van het gereedschap, maar brengt ook het risico van vervorming van het werkstuk, verspaningsverharding en zelfs brandgevaar met zich mee.
• Neiging tot verharding door vervormingHet materiaal hardt snel uit wanneer het wordt blootgesteld aan snijkrachten, waardoor volgende sneden moeilijker worden en de belasting op het gereedschap toeneemt.
• Flexibiliteit en trillingenDe sterkte van titanium doet geen recht aan zijn flexibiliteit, wat tijdens het bewerken trillingen (ratelen) kan veroorzaken. Dit vereist robuuste werkstukopspanningssystemen en stabiele bewerkingsopstellingen om de precisie te behouden.
• Schuren en opgebouwde rand (BUE): Door de “kleverige” eigenschappen van titanium, vooral in commercieel zuivere kwaliteiten, hecht het zich aan snijgereedschap, waardoor BUE en schuren ontstaan. Dit belemmert de snijprestaties, verkort de levensduur van het gereedschap en tast de oppervlakteafwerking aan.
• Slijtage van gereedschapDe hardheid en schuurkracht van titanium leiden tot snellere slijtage van gereedschap, waardoor duurzame gereedschapsmaterialen en coatings nodig zijn.

Bewerkingsprocessen, tips en technieken

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden en resultaten van hoge kwaliteit te garanderen, zijn de volgende best practices essentieel:

Gereedschapkeuze en coating

• Gebruik snijgereedschap van duurzaam hardmetaal of gecoat snelstaal (HSS) met combinaties van wolfraam, koolstof en vanadium, dat een hardheid tot 600 °C kan behouden.
• Kies voor gereedschapscoatings die zijn ontworpen voor het bewerken van titanium, zoals titaniumaluminiumnitride (TiAlN), aluminiumtitaniumnitride (AlTiN Nano) of titaniumcarbonitride (TiCN). Deze coatings vormen bij hoge temperaturen een beschermende oxidelaag, verminderen warmteoverdracht, verbeteren de smering en voorkomen vastlopen. De HVTI-frees (geoptimaliseerd voor hoogrendementsfrezen) en Aplus-coating van HLW zijn uitstekende keuzes voor een langere standtijd en betere prestaties van het gereedschap.

Werkstukopspanning en stabiliteit

• Gebruik stevige, veilige werkstukopspanningssystemen om doorbuiging en trillingen van het werkstuk tot een minimum te beperken. Vermijd onderbroken zaagsneden en houd het gereedschap constant in beweging tijdens het contact met het werkstuk. Als je het gereedschap in geboorde gaten laat staan of dicht bij geprofileerde wanden stopt, ontstaat er overmatige warmte en slijtage van het gereedschap.
• Gebruik een frees met een grotere kerndiameter, minimaliseer de overhang tussen de spilneus en de gereedschapspunt en houd de voedingen en snelheden constant om trillingen te verminderen.

Koeling en smering

• Gebruik hoge druk, grote hoeveelheden koelmiddel met uitstekende smerende en koelende eigenschappen (bijv. koelmiddelen op basis van emulsie) om warmte af te voeren, spanen weg te spoelen en BUE en vastlopen te voorkomen. Richt de koelmiddelstroom rechtstreeks op het snijoppervlak voor een optimaal effect.

Bewerkingsstrategieën en parameters

• Gebruik klimmend frezen (in plaats van conventioneel frezen) om de warmteoverdracht naar het werkstuk te verminderen. Bij klimmend frezen ontstaan spanen die eerst dik en daarna dun zijn, waardoor de warmte beter wordt afgevoerd naar de spanen en een schonere afschuiving wordt gegarandeerd.
• Gebruik lagere snijsnelheden (doorgaans 18-30 meter per minuut / 60-100 voet per minuut) in combinatie met hogere voedingssnelheden en grotere spaanafvoer om warmteontwikkeling en verharding te minimaliseren. Pas de snelheden aan op basis van de titaniumkwaliteit, het gereedschap en de stijfheid van de machine.
• Voor het in- en uitgaan van het materiaal, beweeg het gereedschap voorzichtig in een boogbeweging in het materiaal of gebruik afschuiningen om de druk geleidelijk te verhogen/verlagen, waardoor schokken van het gereedschap en scheuren van het materiaal worden verminderd.
• Gebruik gereedschap met een kleinere diameter om de blootstelling aan lucht en koelmiddel te vergroten, zodat de snijkant tussen de sneden kan afkoelen.
• Vereenvoudig complexe geometrieën in het ontwerp van onderdelen (bijv. grotere radii, uniforme wanddikte, vermijden van diepe pockets) om de bewerking te stroomlijnen en de belasting van het gereedschap te verminderen.

Overwegingen bij het ontwerp van onderdelen

• Gebruik CAD/CAM-software (bijvoorbeeld in combinatie met simulatietools zoals ANSYS) voor een nauwkeurig ontwerp van onderdelen en het genereren van gereedschapspaden. Goed ontworpen opspanningen en mallen zijn van cruciaal belang voor het behoud van stabiliteit en nauwkeurigheid.
• Integreer principes voor ontwerp voor produceerbaarheid (DFM) — HLW biedt DFM-feedback (zowel AI-gestuurd als menselijk) om onderdeelontwerpen te optimaliseren voor efficiëntie, kwaliteit en kosteneffectiviteit.

Toepassingen van CNC-gefreesde titanium onderdelen

CNC-gefreesde titanium onderdelen zijn onmisbaar in tal van veeleisende industrieën:

• Lucht- en ruimtevaartDe belangrijkste afnemer van titanium, dat wordt gebruikt in vliegtuigstoelonderdelen, assen, turbineonderdelen, kleppen, zuurstofgeneratiesystemen, vliegtuigrompen en raketonderdelen. Het lage gewicht en de hoge hittebestendigheid zorgen voor brandstofefficiëntie en prestaties bij supersonische snelheden.
• Medisch en tandheelkundeBiocompatibele titaniumlegeringen worden gebruikt in heup-/knie-/elleboog-/schoudergewrichtsprothesen, bot-/tand-/schedelschroeven, wervelkolomfixatiestaven, femurkopimplantaten, orthopedische pinnen, chirurgische nietjes en tandkronen/bruggen/implantaten.
• Militair en defensie: Toegepast in militaire lucht- en ruimtevaart, raketten, artillerie, onderzeeërs, grondvoertuigen (voor ballistische weerstand) en marine-uitrusting.
• Marine/ZeemachtGeschikt voor propellerassen voor zeewaterontzilting, apparatuur voor onderzeese grondstofwinning, tuigage, onderwaterrobotica, mariene warmtewisselaars, propellers en leidingsystemen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de corrosiebestendigheid en het lichte gewicht.
• Automobielindustrie: Wordt gebruikt om het gewicht en het brandstofverbruik te verminderen, met toepassingen in kleppen, klepveren, zuigerpennen, houders en remklauwpistons.
• Consumentengoederen: Wordt gebruikt in sportartikelen (golfclubs, fietsframes, honkbalknuppels, tennisrackets, kampeeruitrusting) en sieraden (horloges, brilmonturen, trouwringen, kettingen) vanwege het lichte gewicht en het aantrekkelijke uiterlijk.
• Chemische verwerking: Wordt gebruikt in warmtewisselaars, ontziltingssystemen en onderdelen van productieapparatuur vanwege zijn corrosiebestendigheid.

Oppervlakteafwerkingsopties

Oppervlakteafwerking verbetert de functionaliteit, duurzaamheid en esthetiek van CNC-gefreesde titanium onderdelen:

• AnodiserenEen veelgebruikte keuze die de corrosiebestendigheid verhoogt, gewichtstoename minimaliseert, wrijving vermindert en het uiterlijk verbetert.
• Mechanische afwerkingen: Polijsten, parelstralen en borstelen om de oppervlakteruwheid te verminderen en de gewenste texturen te verkrijgen.
• Coatings: PVD-coating, poedercoating, verchromen en elektroforese voor verbeterde bescherming en prestaties.
• Andere behandelingen: Schilderen voor esthetische aanpassing. HLW biedt tot 6 nabewerkingsopties, waaronder parelstralen, poedercoating, glad machinaal bewerken en polijsten.

Economische overwegingen

De hogere kosten van titanium (als gevolg van strenge kwaliteitsnormen en een groeiende vraag) vereisen een strategische kostenoptimalisatie:

• Vergelijk titaniumprijzen met alternatieven (bijv. staal, aluminium) voor niet-kritische toepassingen.
• Optimaliseer de levensduur van gereedschappen, de bewerkingstijd en het materiaalgebruik om afval te verminderen.
• Houd de kosten voor gereedschap, koelmiddel, arbeid, energie en afvalbeheer bij en minimaliseer deze.
• Profiteer van de lange levensduur en duurzaamheid van titanium voor kostenbesparingen op de lange termijn. Het netwerk van HLW met meer dan 1600 frees- en draaimachines garandeert concurrerende prijzen en een efficiënte productie voor zowel kleine als complexe orders.

Veiligheidsmaatregelen en industrienormen

Veiligheidsmaatregelen

• Draag persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) om risico's door rondvliegend puin, koelvloeistof en brandgevaar te beperken.
• Volg de juiste procedures voor het hanteren en opslaan van titaniummaterialen, koelmiddelen en spanen.
• Voer brandpreventiemaatregelen en noodplannen in, aangezien overmatige hitte brandgevaar kan opleveren.
• Voer regelmatig onderhoud aan de machines uit en train operators in veilige bewerkingspraktijken.
• Voer titaniumspanen, koelvloeistof en afval op de juiste manier af om de veiligheid op de werkplek en naleving van milieuwetgeving te garanderen.

Industrienormen en certificeringen

Om kwaliteit en betrouwbaarheid te garanderen, voldoet CNC-bewerking van titanium aan strenge industrienormen en certificeringen:

• ASTM-normen: ASTM B265 (titaniumstrip/plaat/plaat), ASTM F136 (chirurgisch implantaat Ti6Al4V ELI), ASTM F1472 (chirurgisch implantaat Ti6Al4V).
• ISO-normen: ISO 5832-2 (ongelegeerde titanium implantaten), ISO 5832-3 (Ti6Al4V-gelegeerde implantaten), ISO 9001 (kwaliteitsmanagementsystemen), ISO 13485 (kwaliteitsmanagement voor medische hulpmiddelen).
• SAE-normen: SAE AMS 4911 (gegloeide Ti6Al4V-plaat/strip/plaat).
• CertificeringenAS9100 (kwaliteitsmanagement voor luchtvaart/ruimtevaart/defensie) is van cruciaal belang voor lucht- en ruimtevaartcomponenten.

HLW's CNC-bewerkingsdiensten voor titaniumlegeringen

HLW biedt uitgebreide CNC-bewerkingsdiensten voor titaniumlegeringen, waarbij gebruik wordt gemaakt van geavanceerde apparatuur (3-assige en 5-assige CNC-frezen, draaien, boren, kotteren) en expertise om hoogwaardige onderdelen te leveren met korte doorlooptijden (doorgaans minder dan 10 dagen). Onze mogelijkheden omvatten:

• Aangepaste bewerking van titanium van de kwaliteiten 1–5, 7, 11, 12, 23 en andere legeringen.
• DFM-feedback (directe AI en menselijke feedback) om onderdeelontwerpen te optimaliseren voor produceerbaarheid, kosten en kwaliteit.
• Een reeks oppervlakteafwerkingsopties om te voldoen aan functionele en esthetische eisen.
• Naleving van industrienormen (ASTM, ISO, SAE) en certificeringen (ISO 9001, AS9100, ISO 13485) voor kritieke toepassingen.
• Concurrerende prijzen en flexibele productiecapaciteit voor kleine orders en complexe geometrieën met nauwe toleranties (±0,125 mm / ±0,005″).

Om te beginnen, upload je je CAD-bestand (.STL) naar het platform van HLW voor een directe offerte. Voor vragen kun je contact met ons opnemen via 18664342076 of info@helanwangsf.com. HLW helpt je graag bij het overwinnen van de uitdagingen van CNC-bewerking van titanium en levert uitzonderlijke resultaten voor je meest veeleisende projecten.