CNC obrábanie zliatin titánu

Zliatiny titánu si vyslúžili povesť “kovov vesmírneho veku” vďaka svojej výnimočnej kombinácii vlastností, vďaka čomu sú nenahraditeľné vo vysokovýkonných aplikáciách v rôznych odvetviach priemyslu. Hoci ich jedinečné vlastnosti ponúkajú významné výhody, predstavujú aj výrazné výzvy v oblasti CNC obrábania, ktoré vyžadujú špecializované znalosti, techniky a vybavenie. Tento článok poskytuje komplexný prehľad CNC obrábania zliatin titánu, zahŕňajúci ich kľúčové vlastnosti, bežné triedy, výzvy v oblasti obrábania, osvedčené postupy, aplikácie a súvisiace úvahy.

CNC obrábanie zdravotníckych výrobkov z titánovej zliatiny

Kľúčové vlastnosti a výhody zliatin titánu

Zliatiny titánu vynikajú radom vynikajúcich vlastností, vďaka ktorým sú veľmi vyhľadávané pre kritické aplikácie:

Vynikajúci pomer pevnosti a hmotnosti: Titánové diely sa vyrovnajú pevnosti v ťahu niektorých ocelí, pričom vážia približne o polovicu menej – iba o 40% viac ako hliník a o 40% ľahšie ako oceľ, čo ich predurčuje na použitie v odvetviach, kde je zníženie hmotnosti prvoradé bez ohrozenia konštrukčnej integrity.
Vynikajúca odolnosť proti korózii: Titán vytvára pri vystavení vzduchu ochrannú oxidovú vrstvu, ktorá sa dokáže sama opravovať, vďaka čomu odoláva korózii spôsobenou morskou vodou, chemikáliami a drsným prostredím. Táto vlastnosť z neho robí najlepšiu voľbu pre námorné, chemické a pobrežné aplikácie.
Biokompatibilita: Titánové zliatiny sú netoxické a kompatibilné s ľudským tkanivom, podporujú osseointegráciu (spojenie medzi kosťou a implantátmi), vďaka čomu sa široko používajú v lekárskych a zubných zariadeniach.
Odolnosť voči vysokým teplotám: Vďaka vysokej teplote topenia si titán zachováva svoju pevnosť a stabilitu aj v extrémnych teplotných podmienkach, čo ho predurčuje na použitie v prúdových motoroch, komponentoch rakiet a priemyselných zariadeniach vystavených vysokým teplotám.
Recyklovateľnosť: Titán je plne recyklovateľný, čo je v súlade s udržateľnými výrobnými postupmi, pričom si zachováva svoje základné vlastnosti.

Bežné triedy titánu pre CNC obrábanie

Titán je k dispozícii v takmer 40 triedach ASTM, vrátane komerčne čistého titánu (triedy 1–4) a zliatin titánu (triedy 5 a vyššie), z ktorých každá je prispôsobená konkrétnym aplikáciám:

Trieda 1 (komerčne čistý, nízky obsah kyslíka): Ponúka vynikajúcu odolnosť proti korózii, vysokú rázovú húževnatosť a ľahkú obrobiteľnosť, hoci je menej pevný ako iné triedy. Používa sa v chemickom spracovaní, výmenníkoch tepla, odsoľovacích systémoch, automobilových dieloch, drakoch lietadiel a zdravotníckych zariadeniach.
Stupeň 2 (komerčne čistý, štandardný obsah kyslíka): Silnejší ako trieda 1 s vysokou odolnosťou proti korózii, dobrou ťažnosťou, tvarovateľnosťou, zvariteľnosťou a obrobiteľnosťou. Používa sa v konštrukciách lietadiel, leteckých motoroch, spracovaní uhľovodíkov, námornom vybavení, zdravotníckych zariadeniach a výrobe chlorečnanov.
Trieda 3 (komerčne čistý, stredný obsah kyslíka): Ťažšie tvarovateľný ako triedy 1 a 2, ale vyznačuje sa vysokou pevnosťou a odolnosťou proti korózii s dobrou obrobiteľnosťou. Bežne sa používa v leteckom, námornom a medicínskom priemysle.
Trieda 4 (komerčne čistý, vysoký obsah kyslíka): Najsilnejší z čistých titánových materiálov s vynikajúcou odolnosťou proti korózii. Vzhľadom na náročnú obrobiteľnosť vyžaduje vysoké posuvy, nízke otáčky a vysoký prietok chladiacej kvapaliny. Používa sa v kryogénnych nádržiach, výmenníkoch tepla, hydraulike, drakoch lietadiel, chirurgických nástrojoch a námornom vybavení.
Trieda 5 (Ti6Al4V): Najpoužívanejšia zliatina titánu (predstavuje približne polovicu celosvetovej spotreby titánu), legovaná 6% hliníkom a 4% vanádom. Vyvažuje vysokú odolnosť proti korózii a vynikajúcu tvarovateľnosť, ale má slabú obrobiteľnosť. Ideálna pre konštrukcie lietadiel, letecké motory, výrobu energie, zdravotnícke zariadenia, námorné/morské zariadenia a hydrauliku.
Trieda 6 (Ti5Al-2,5Sn): Vyznačuje sa dobrou zvariteľnosťou, stabilitou a pevnosťou pri vysokých teplotách s priemernou pevnosťou pre titánové zliatiny. Používa sa v nádržiach na kvapalný plyn/hnacie palivo pre rakety, lietadlá, prúdové motory a kozmické vozidlá.
Trieda 7 (Ti-0,15Pd): Často považovaný za čistý, ale obsahuje malé množstvo paládia, čo mu dodáva vynikajúcu odolnosť proti korózii, výbornú zvariteľnosť a tvarovateľnosť (hoci má nižšiu pevnosť ako iné zliatiny). Používa sa v chemickom spracovaní a vo výrobných zariadeniach.
Trieda 11 (Ti-0,15Pd): Podobný ako stupeň 7 s vynikajúcou odolnosťou proti korózii, ťažnosťou a tvarovateľnosťou, ale ešte nižšou pevnosťou. Používa sa v odsoľovaní, námornom priemysle a pri výrobe chlorečnanov.
Trieda 12 (Ti0,3Mo0,8Ni): Poskytuje vysokú pevnosť pri vysokých teplotách, vynikajúcu zvariteľnosť a odolnosť proti korózii, ale je drahší ako iné zliatiny. Vhodný pre hydrometalurgické aplikácie, letecké/námorné komponenty a výmenníky tepla.
Trieda 23 (Ti6Al4V-ELI): Ponúka vynikajúcu tvarovateľnosť, ťažnosť, dobrú lomovú húževnatosť a ideálnu biokompatibilitu, ale má slabú obrobiteľnosť. Bežne sa používa v ortodontických pomôckach, ortopedických kolíkoch/skrutkách, chirurgických sponkách a ortopedických kábloch.

Výzvy pri CNC obrábaní zliatin titánu

Napriek svojim výhodám predstavujú titánové zliatiny jedinečné výzvy, ktoré si vyžadujú špecializované prístupy:

Nízka tepelná vodivosť: Titán pomaly odvádza teplo, čo vedie k lokálnemu nahromadeniu tepla počas obrábania. To nielen urýchľuje opotrebovanie nástroja, ale tiež zvyšuje riziko deformácie obrobku, vytvrdzovania pri obrábaní a dokonca aj nebezpečenstvo požiaru.
Tendencia k pracovnému spevňovaniu: Materiál rýchlo tvrdne, keď je vystavený rezacím silám, čo sťažuje ďalšie rezanie a zvyšuje namáhanie nástroja.
Pružnosť a vibrácie: Pevnosť titánu zakrýva jeho pružnosť, ktorá môže spôsobiť vibrácie (chvenie) počas obrábania. To si vyžaduje robustné upínacie systémy a stabilné nastavenia obrábania, aby sa zachovala presnosť.
Odieranie a nahromadený okraj (BUE): “Lepkavá” povaha titánu, najmä v komerčne čistých zmesiach, spôsobuje, že sa priľne k rezacím nástrojom, čím vzniká BUE a zadieranie. To zhoršuje rezací výkon, skracuje životnosť nástroja a ovplyvňuje kvalitu povrchovej úpravy.
Opotrebenie nástrojov: Tvrdosť a abrazívnosť titánu vedú k rýchlejšiemu opotrebovaniu nástrojov, čo si vyžaduje odolné materiály a povlaky nástrojov.

Obrábacie procesy, tipy a techniky

Na prekonanie týchto výziev a zabezpečenie vysokokvalitných výsledkov sú nevyhnutné nasledujúce osvedčené postupy:

Výber nástrojov a povrchová úprava

Používajte rezné nástroje vyrobené z odolného karbidu alebo potiahnutej rýchloreznej ocele (HSS) s kombináciami volfrámu, uhlíka a vanádu, ktoré si zachovávajú tvrdosť až do 600 °C.
Zvoľte povlaky nástrojov určené na obrábanie titánu, ako je nitrid titánu a hliníka (TiAlN), nitrid hliníka a titánu (AlTiN Nano) alebo karbonitrid titánu (TiCN). Tieto povlaky vytvárajú pri vysokých teplotách ochrannú oxidovú vrstvu, znižujú prenos tepla, zvyšujú mazivosť a zabraňujú zadieraniu. Vrták HVTI End Mill (optimalizovaný pre vysokú účinnosť frézovania) a povlak Aplus od spoločnosti HLW sú vynikajúcou voľbou pre zlepšenie životnosti a výkonu nástrojov.

Upevnenie obrobku a stabilita

Používajte pevné a bezpečné upínacie systémy, aby ste minimalizovali deformáciu a vibrácie obrobku. Vyhýbajte sa prerušovaným rezom a udržujte nástroj v neustálom pohybe počas kontaktu s obrobkom – zdržiavanie sa vo vyvŕtaných otvoroch alebo zastavenie v blízkosti profilovaných stien spôsobuje nadmerné zahrievanie a opotrebenie nástroja.
Použite frézu s väčším priemerom jadra, minimalizujte previs medzi čelom vretena a hrotom nástroja a udržiavajte konzistentné posuvy a rýchlosti, aby ste znížili chvenie.

Obrázky produktov CNC obrábanie titánovej zliatiny

Chladenie a mazanie

Na odvádzanie tepla, odstraňovanie triesok a prevenciu BUE a zadierania použite vysokotlakové, veľké množstvo chladiacej kvapaliny s vynikajúcimi mazacími a chladiacimi vlastnosťami (napr. chladiace kvapaliny na báze emulzie). Pre dosiahnutie optimálneho účinku nasmerujte prúd chladiacej kvapaliny priamo na reznú plochu.

Stratégie a parametre obrábania

Použite frézovanie s proti smerom otáčania (namiesto konvenčného frézovania), aby ste znížili prenos tepla na obrobok. Frézovanie s proti smerom otáčania vytvára triesky, ktoré sú spočiatku hrubé a potom tenké, čo podporuje odvod tepla do triesok a zabezpečuje čistejšie strihanie.
Používajte nižšie rezné rýchlosti (zvyčajne 18–30 metrov za minútu / 60–100 stôp za minútu) v kombinácii s vyššími posuvmi a väčšími záťažami, aby ste minimalizovali hromadenie tepla a zosilňovanie materiálu. Rýchlosti nastavujte na základe triedy titánu, nástrojov a tuhosti stroja.
Pri rezaní vstupov a výstupov jemne ohýbajte nástroj do materiálu alebo použite zrážané hrany, aby ste postupne zvyšovali/znižovali tlak, čím znížite náraz nástroja a trhanie materiálu.
Používajte nástroje s menším priemerom, aby ste zvýšili vystavenie vzduchu a chladiacej kvapaline, čo umožní ochladenie rezných hrán medzi rezmi.
Zjednodušte zložité geometrie pri návrhu dielov (napr. väčšie polomery, rovnomerná hrúbka steny, vyhýbanie sa hlbokým vreckám), aby ste zefektívnili obrábanie a znížili namáhanie nástrojov.

Úvahy o konštrukcii dielov

Na presné navrhovanie dielov a generovanie dráhy nástroja použite softvér CAD/CAM (napr. v kombinácii so simulačnými nástrojmi, ako je ANSYS). Dobre navrhnuté upínacie prípravky a prípravky sú kľúčové pre udržanie stability a presnosti.
Zahrňte princípy dizajnu pre vyrobiteľnosť (DFM) – HLW poskytuje spätnú väzbu DFM (ako umelou inteligenciou, tak aj ľudskou) s cieľom optimalizovať dizajn dielov z hľadiska efektívnosti, kvality a nákladovej efektívnosti.

Aplikácie CNC obrábaných titánových dielov

CNC obrábané titánové diely sú neoddeliteľnou súčasťou mnohých náročných priemyselných odvetví:

Letecký priemysel: Hlavný spotrebiteľ titánu, ktorý sa používa v komponentoch sedadiel lietadiel, hriadeľoch, častiach turbín, ventiloch, systémoch na výrobu kyslíka, drakoch lietadiel a komponentoch rakiet. Jeho nízka hmotnosť a vysoká tepelná odolnosť umožňujú úsporu paliva a výkon pri nadzvukových rýchlostiach.
Lekársky a zubné: Biokompatibilné titánové zliatiny sa používajú pri náhradách bedrových, kolenných, lakťových a ramenných kĺbov, kostných, zubných a lebečných skrutiek, fixačných tyčí chrbtice, implantátoch hlavice stehennej kosti, ortopedických kolíkoch, chirurgických sponkách a zubných korunách, mostíkoch a implantátoch.
Vojenské a obranné: Používa sa vo vojenskom letectve, raketách, delostrelectve, ponorkách, pozemných vozidlách (pre balistickú odolnosť) a námornom vybavení.
Námorné/námorné: Vhodný pre hriadele vrtuľových lodí na odsoľovanie morskej vody, zariadenia na ťažbu podmorských zdrojov, lanoví, podvodnú robotiku, morské výmenníky tepla, vrtule a potrubné systémy – využíva svoju odolnosť proti korózii a nízku hmotnosť.
Automobilový priemysel: Používa sa na zníženie hmotnosti a spotreby paliva, s aplikáciami vo ventiloch, ventilových pružinách, piestnych čapoch motorov, poistkách a piestoch brzdových strmeňov.
Spotrebný tovar: Vďaka svojej nízkej hmotnosti a atraktívnemu vzhľadu sa používa v športovom vybavení (golfové palice, rámy bicyklov, bejzbalové pálky, tenisové rakety, kempingové vybavenie) a šperkoch (hodinky, rámy okuliarov, snubné prstene, náhrdelníky).
Chemické spracovanie: Vďaka svojej odolnosti proti korózii sa používa vo výmenníkoch tepla, odsoľovacích systémoch a častiach výrobných zariadení.

Možnosti povrchovej úpravy

Povrchová úprava zvyšuje funkčnosť, odolnosť a estetiku CNC obrábaných titánových dielov:

Eloxovanie: Bežná voľba, ktorá zvyšuje odolnosť proti korózii, minimalizuje nárast hmotnosti, znižuje trenie a zlepšuje vzhľad.
Mechanické povrchové úpravy: Leštenie, tryskání a kefovanie na zníženie drsnosti povrchu a dosiahnutie požadovanej textúry.
Povlaky: PVD povlak, práškový povlak, chrómovanie a elektroforéza pre zvýšenú ochranu a výkon.
Iné liečby: Maľovanie pre estetické prispôsobenie. HLW ponúka až 6 možností dodatočného spracovania, vrátane tryskacieho čistenia, práškového lakovania, hladkého obrábania a leštenia.

Ekonomické hľadiská

Vyššia cena titánu (v dôsledku prísnych noriem kvality a rastúceho dopytu) si vyžaduje strategickú optimalizáciu nákladov:

Porovnajte ceny titánu s alternatívami (napr. oceľ, hliník) pre nekritické aplikácie.
Optimalizujte životnosť nástrojov, čas obrábania a spotrebu materiálu, aby ste znížili množstvo odpadu.
Sledujte a minimalizujte náklady súvisiace s nástrojmi, chladiacou kvapalinou, pracovnou silou, energiou a nakladaním s odpadom.
Využite dlhú životnosť a odolnosť titánu na dlhodobé úspory nákladov. Sieť spoločnosti HLW s viac ako 1 600 frézovacími a sústružnými strojmi zaručuje konkurencieschopné ceny a efektívnu výrobu pre malé aj komplexné objednávky.

Bezpečnostné opatrenia a priemyselné normy

Bezpečnostné postupy

Noste osobné ochranné prostriedky (OOP), aby ste zmiernili riziká spôsobené lietajúcimi úlomkami, chladiacou kvapalinou a nebezpečenstvom požiaru.
Dodržiavajte správne postupy pri manipulácii a skladovaní titánových materiálov, chladiacich kvapalín a triesok.
Zavádzajte protipožiarne opatrenia a núdzové plány, pretože nadmerné teplo môže predstavovať riziko požiaru.
Vykonávajte pravidelnú údržbu strojov a školite obsluhu v bezpečných postupoch pri obrábaní.
Titánové špony, chladiacu kvapalinu a odpad likvidujte správnym spôsobom, aby ste zaistili bezpečnosť na pracovisku a dodržiavanie environmentálnych predpisov.

Priemyselné normy a certifikáty

Aby bola zaručená kvalita a spoľahlivosť, CNC obrábanie titánu spĺňa prísne priemyselné normy a certifikácie:

Normy ASTM: ASTM B265 (titánový pás/plech/doska), ASTM F136 (chirurgický implantát Ti6Al4V ELI), ASTM F1472 (chirurgický implantát Ti6Al4V).
Normy ISO: ISO 5832-2 (implantáty z nelegovaného titánu), ISO 5832-3 (implantáty zo zliatiny Ti6Al4V), ISO 9001 (systémy riadenia kvality), ISO 13485 (riadenie kvality zdravotníckych pomôcok).
Normy SAE: SAE AMS 4911 (žíhaný plech/pás/doska z Ti6Al4V).
Certifikáty: AS9100 (riadenie kvality v leteckom, kozmickom a obrannom priemysle) je pre komponenty v leteckom priemysle kľúčové.

Služby CNC obrábania spoločnosti HLW pre titánové zliatiny

HLW ponúka komplexné služby CNC obrábania titánových zliatin s využitím najmodernejších zariadení (3-osové a 5-osové CNC frézovanie, sústruženie, vŕtanie, vyvŕtavanie) a odborných znalostí, aby dodávala vysoko kvalitné diely s rýchlymi dodacími lehotami (zvyčajne do 10 dní). Naše schopnosti zahŕňajú:

Obrábanie titánu tried 1–5, 7, 11, 12, 23 a iných zliatin na mieru.
Spätná väzba DFM (okamžitá umelá inteligencia a ľudský faktor) na optimalizáciu návrhov dielov z hľadiska vyrobiteľnosti, nákladov a kvality.
Široká škála možností povrchovej úpravy, ktoré spĺňajú funkčné a estetické požiadavky.
Súlad s priemyselnými normami (ASTM, ISO, SAE) a certifikáciami (ISO 9001, AS9100, ISO 13485) pre kritické aplikácie.
Konkurencieschopné ceny a flexibilná výrobná kapacita umožňujúca spracovanie malých objednávok a zložitých geometrií s prísnymi toleranciami (±0,125 mm / ±0,005″).

Na začiatok nahrajte svoj CAD (.STL) súbor na platformu HLW a získajte okamžitú cenovú ponuku. V prípade otázok nás kontaktujte na čísle 18664342076 alebo na adrese info@helanwangsf.com. Spoločnosť HLW sa zaväzuje pomáhať vám pri riešení výziev spojených s CNC obrábaním titánu a poskytovať výnimočné výsledky pre vaše najnáročnejšie projekty.