Обробка титанових сплавів на верстатах з ЧПУ

Титанові сплави заслужили репутацію “металів космічної ери” завдяки своєму винятковому поєднанню властивостей, що робить їх незамінними у високопродуктивному застосуванні в різних галузях промисловості. Хоча їхні унікальні характеристики пропонують значні переваги, вони також створюють певні труднощі при обробці з ЧПК, які вимагають спеціальних знань, методів та обладнання. У цій статті надається вичерпний огляд обробки титанових сплавів з ЧПК, що охоплює їхні ключові властивості, поширені марки, проблеми обробки, найкращі практики, застосування та пов'язані з цим міркування.

Ключові властивості та переваги титанових сплавів

Титанові сплави вирізняються набором чудових властивостей, які роблять їх дуже затребуваними для критично важливих застосувань:

• Винятковий коефіцієнт міцності до ваги: Титанові деталі конкурують з міцністю на розрив деяких сталей, при цьому важать приблизно вдвічі менше - лише 40% важче, ніж алюміній і 40% легші за сталь, що робить їх ідеальними для галузей, де зменшення ваги є першочерговим завданням без шкоди для цілісності конструкції.
• Чудова корозійна стійкість: Під впливом повітря титан утворює захисний оксидний шар, який може самовідновлюватися, що дозволяє йому протистояти корозії від морської води, хімікатів і суворих умов навколишнього середовища. Ця властивість робить його найкращим вибором для морських суден, хімічної промисловості та офшорних застосувань.
• Біосумісність: Нетоксичні та сумісні з людськими тканинами титанові сплави сприяють остеоінтеграції (з'єднанню між кісткою та імплантатами), завдяки чому вони широко використовуються в медичних та стоматологічних пристроях.
• Стійкість до високих температур: Маючи високу температуру плавлення, титан зберігає свою міцність і стабільність навіть в екстремальних температурних умовах, що робить його придатним для реактивних двигунів, компонентів ракет і високотемпературного промислового обладнання.
• Придатність до вторинної переробки: Титан повністю придатний для вторинної переробки, що відповідає принципам сталого виробництва, зберігаючи при цьому свої основні властивості.

Поширені марки титану для обробки з ЧПУ

Титан доступний у майже 40 марках за стандартом ASTM, включаючи комерційно чистий титан (марки 1-4) і титанові сплави (марки 5 і вище), кожна з яких призначена для конкретних застосувань:

• Клас 1 (комерційно чиста, з низьким вмістом кисню): Пропонує відмінну корозійну стійкість, високу ударну в'язкість і легку оброблюваність, хоча і менш міцну, ніж інші марки. Застосовується в хімічній промисловості, теплообмінниках, системах опріснення води, автомобільних деталях, планах літаків і медичних приладах.
• Клас 2 (комерційна чистота, стандартний вміст кисню): Міцніша за Grade 1 з високою корозійною стійкістю, хорошою пластичністю, формованістю, зварюваністю та оброблюваністю. Використовується у виробництві планерів, авіаційних двигунів, переробці вуглеводнів, морському обладнанні, медичному обладнанні та виробництві хлоратів.
• Клас 3 (комерційно чиста, середній вміст кисню): Складніша у формуванні, ніж марки 1 і 2, але має високу міцність і корозійну стійкість, а також непогану оброблюваність. Поширена в аерокосмічній, морській та медичній галузях.
• Клас 4 (комерційно чиста, з високим вмістом кисню): Найміцніший серед марок чистого титану, з відмінною корозійною стійкістю. Вимагає високих швидкостей подачі, повільних швидкостей і високого потоку ЗОР через складну оброблюваність. Застосовується для виготовлення кріогенних посудин, теплообмінників, гідравліки, планерів літаків, хірургічного обладнання та морського устаткування.
• Клас 5 (Ti6Al4V): Найпоширеніший титановий сплав (на нього припадає близько половини світового споживання титану), легований алюмінієм 6% і ванадієм 4%. Поєднує в собі високу корозійну стійкість і відмінну формуваність, але має погану оброблюваність. Ідеально підходить для конструкцій планера літака, авіаційних двигунів, виробництва електроенергії, медичних виробів, морського/офшорного обладнання та гідравліки.
• Марка 6 (Ti5Al-2.5Sn): Має гарну зварюваність, стабільність і міцність при високих температурах з проміжною міцністю для титанових сплавів. Використовується в корпусах рідкого газу/палива для ракет, планерів, реактивних двигунів і космічних апаратів.
• Клас 7 (Ti-0.15Pd): Часто вважається чистим, але містить невелику кількість паладію, що забезпечує чудову корозійну стійкість, відмінну зварюваність і здатність до формування (хоча міцність нижча, ніж у інших сплавів). Застосовується в хімічній промисловості та деталях виробничого обладнання.
• Марка 11 (Ti-0.15Pd): Подібна до марки 7 з відмінною корозійною стійкістю, пластичністю і здатністю до формування, але ще нижчою міцністю. Використовується для опріснення води, у морській промисловості та виробництві хлорату.
• Марка 12 (Ti0.3Mo0.8Ni): Забезпечує високу міцність при високих температурах, відмінну зварюваність і корозійну стійкість, але коштує дорожче, ніж інші сплави. Підходить для гідрометалургійних застосувань, авіаційних/морських компонентів та теплообмінників.
• Марка 23 (Ti6Al4V-ELI): Пропонує чудову формувальну здатність, пластичність, достатню в'язкість при руйнуванні та ідеальну біосумісність, але погано піддається механічній обробці. Зазвичай використовується в ортодонтичних апаратах, ортопедичних штифтах/гвинтах, хірургічних скобах та ортопедичних кабелях.

Виклики в обробці титанових сплавів з ЧПК

Незважаючи на свої переваги, титанові сплави створюють унікальні виклики, які вимагають спеціалізованих підходів:

• Низька теплопровідність: Титан повільно розсіює тепло, що призводить до локального накопичення тепла під час обробки. Це не тільки прискорює знос інструменту, але й може призвести до деформації заготовки, зміцнення при обробці та навіть до пожежі.
• Тенденція до загартовування: Матеріал швидко твердне під дією сили різання, що ускладнює подальше різання і збільшує навантаження на інструмент.
• Гнучкість і вібрація: Міцність титану суперечить його гнучкості, що може спричинити вібрації (брязкіт) під час обробки. Це вимагає надійних систем закріплення та стабільних налаштувань обробки для збереження точності.
• Галуження та нарощування кромки (BUE): “Липка” природа титану, особливо в комерційно чистих сортах, призводить до того, що він прилипає до ріжучого інструменту, утворюючи наклеп і задирки. Це погіршує продуктивність різання, зменшує термін служби інструменту та погіршує якість поверхні.
• Знос інструменту: Твердість і абразивність титану призводять до швидшого зношування інструменту, що вимагає довговічних інструментальних матеріалів і покриттів.

Процеси обробки, поради та техніки

Для подолання цих викликів і забезпечення якісних результатів важливо дотримуватися наведених нижче найкращих практик:

Вибір інструменту та нанесення покриття

• Використовуйте ріжучі інструменти з міцної твердосплавної або покритої швидкоріжучої сталі (HSS) з комбінацією вольфраму, вуглецю та ванадію, які можуть підтримувати твердість до 600 ℃.
• Обирайте покриття для інструментів, призначені для обробки титану, такі як нітрид титану з алюмінієм (TiAlN), нітрид титану з алюмінієм (AlTiN Nano) або карбонітрид титану (TiCN). Ці покриття утворюють захисний оксидний шар при високих температурах, зменшують тепловіддачу, покращують змащування та запобігають задируванню. Кінцева фреза HVTI (оптимізована для високоефективного фрезерування) та покриття Aplus від HLW є чудовим вибором для збільшення терміну служби та продуктивності інструменту.

Утримання та стабільність роботи

• Використовуйте жорсткі, надійні системи кріплення, щоб мінімізувати відхилення заготовки та вібрацію. Уникайте переривчастого різання та підтримуйте інструмент у постійному русі під час контакту із заготовкою - застрявання в просвердлених отворах або зупинка біля профільованих стін призводить до надмірного нагрівання та зносу інструменту.
• Використовуйте кінцеву фрезу з більшим діаметром серцевини, мінімізуйте виліт між головкою шпинделя та підказкою інструменту, а також підтримуйте постійну подачу та швидкість, щоб зменшити вібрацію.

Охолодження та змащення

• Використовуйте велику кількість ЗОР під високим тиском з чудовими змащувальними та охолоджувальними властивостями (наприклад, емульсійні ЗОР) для відведення тепла, змивання стружки та запобігання утворенню задирів і задирів. Спрямовуйте струмінь ЗОР безпосередньо на поверхню різання для оптимальної ефективності.

Стратегії та параметри обробки

• Використовуйте фрезерування з підйомом (замість звичайного фрезерування), щоб зменшити тепловіддачу до заготовки. Фрезерування з підйомом утворює стружку, яка починається товстою і тонкою, що сприяє відведенню тепла до стружки і забезпечує чистіший зсув.
• Використовуйте нижчі швидкості різання (зазвичай 18-30 метрів на хвилину / 60-100 футів на хвилину) у поєднанні з вищими швидкостями подачі та більшим завантаженням стружки, щоб мінімізувати накопичення тепла та загартовування. Відрегулюйте швидкість залежно від марки титану, інструменту та жорсткості верстата.
• Для вхідних і вихідних прорізів плавно вводьте інструмент дугою в матеріал або використовуйте фаски для поступового збільшення/зменшення тиску, щоб зменшити удар інструмента і розрив матеріалу.
• Використовуйте інструменти меншого діаметру, щоб збільшити доступ повітря та ЗОР, що дозволить ріжучій кромці охолоджуватися між прорізами.
• Спрощення складної геометрії при проектуванні деталей (наприклад, більші радіуси, рівномірна товщина стінок, уникнення глибоких кишень) для оптимізації обробки та зменшення навантаження на інструмент.

Міркування щодо проектування деталей

• Використовуйте програмне забезпечення CAD/CAM (наприклад, у поєднанні з інструментами моделювання, такими як ANSYS) для точного проектування деталей і генерації траєкторії руху інструменту. Добре спроектовані пристосування та оправки мають вирішальне значення для підтримки стабільності та точності.
• Впровадження принципів Design for Manufacturability (DFM) - HLW забезпечує зворотний зв'язок DFM (як з використанням штучного інтелекту, так і з людиною) для оптимізації дизайну деталей з метою підвищення ефективності, якості та економічності.

Застосування титанових деталей, оброблених з ЧПУ

Титанові деталі, оброблені за допомогою ЧПУ, є невід'ємною частиною багатьох галузей промисловості з високим попитом:

• Аерокосмічна галузь: Основний споживач титану, який використовується в компонентах сидінь літаків, валах, деталях турбін, клапанах, системах генерації кисню, планерів і компонентах ракет. Його низька вага і висока жаростійкість забезпечують паливну ефективність і продуктивність на надзвукових швидкостях.
• Медичні і Dental: Біосумісні титанові сплави використовуються в ендопротезах кульшового/колінного/ліктьового/плечового суглобів, кісткових/зубних/черепних гвинтах, стрижнях для фіксації хребта, імплантатах головки стегнової кістки, ортопедичних штифтах, хірургічних скобах, а також зубних коронках/мостах/імплантатах.
• Військові та оборона: Застосовується у військовій аерокосмічній галузі, ракетах, артилерії, підводних човнах, наземних транспортних засобах (для балістичної стійкості) та військово-морській техніці.
• Морська піхота/морський флот: Підходить для гребних валів опріснювачів морської води, обладнання для видобутку підводних ресурсів, такелажу, підводної робототехніки, морських теплообмінників, гребних гвинтів і трубопровідних систем - завдяки своїй корозійній стійкості і легкості.
• Автомобільна промисловість: Використовується для зменшення ваги та споживання палива в клапанах, клапанних пружинах, поршневих пальцях двигуна, фіксаторах та поршнях гальмівних супортів.
• Споживчі товари: Завдяки своїй легкості та привабливому зовнішньому вигляду використовується у спортивному спорядженні (ключки для гольфу, велосипедні рами, бейсбольні біти, тенісні ракетки, туристичне спорядження) та ювелірних виробах (годинники, оправи для окулярів, обручки, кольє).
• Хімічна переробка: Використовується в теплообмінниках, опріснювачах та деталях виробничого обладнання для забезпечення корозійної стійкості.

Варіанти обробки поверхні

Фінішна обробка поверхні підвищує функціональність, довговічність та естетичність титанових деталей, оброблених на верстатах з ЧПК:

• Анодування: Поширений вибір, який підвищує корозійну стійкість, мінімізує збільшення ваги, зменшує тертя та покращує зовнішній вигляд.
• Механічна обробка: Полірування, дробеструйная обробка та щітка для зменшення шорсткості поверхні та досягнення бажаної текстури.
• Покриття: PVD-покриття, порошкове покриття, хромування та електрофорез для покращення захисту та продуктивності.
• Інші методи лікування: Фарбування для естетичної кастомізації. HLW пропонує до 6 варіантів подальшої обробки, включаючи дробеструйну обробку, порошкове покриття, гладку механічну обробку та полірування.

Економічні міркування

Вища вартість титану (через суворі стандарти якості та зростаючий попит) вимагає стратегічної оптимізації витрат:

• Порівняйте ціни на титан з альтернативами (наприклад, сталь, алюміній) для некритичних застосувань.
• Оптимізуйте термін служби інструменту, час обробки та використання матеріалів, щоб зменшити кількість відходів.
• Відстежуйте та мінімізуйте витрати, пов'язані з інструментом, охолоджувальною рідиною, робочою силою, енергією та утилізацією відходів.
• Використовуйте довговічність і міцність титану для довгострокової економії витрат. Мережа з понад 1 600 фрезерних і токарних верстатів HLW забезпечує конкурентоспроможні ціни та ефективне виробництво як для дрібносерійних, так і для складних замовлень.

Заходи безпеки та галузеві стандарти

Практика безпеки

• Носіть засоби індивідуального захисту (ЗІЗ), щоб зменшити ризики від уламків, що розлітаються, охолоджувальної рідини та пожежонебезпеки.
• Дотримуйтесь належних процедур поводження та зберігання титанових матеріалів, охолоджувальних рідин і стружки.
• Впроваджуйте заходи пожежної профілактики та плани реагування на надзвичайні ситуації, оскільки надлишок тепла може створювати пожежну небезпеку.
• Виконуйте регулярне технічне обслуговування верстата та навчайте операторів безпечним методам обробки.
• Утилізуйте титанову стружку, охолоджувальну рідину та відходи належним чином, щоб забезпечити безпеку на робочому місці та дотримання екологічних норм.

Галузеві стандарти та сертифікації

Щоб забезпечити якість і надійність, обробка титану з ЧПУ відповідає суворим галузевим стандартам і сертифікаціям:

• Стандарти ASTM: ASTM B265 (титанова смуга/лист/пластина), ASTM F136 (хірургічний імплантат Ti6Al4V ELI), ASTM F1472 (хірургічний імплантат Ti6Al4V).
• Стандарти ISO: ISO 5832-2 (імплантати з нелегованого титану), ISO 5832-3 (імплантати зі сплаву Ti6Al4V), ISO 9001 (системи управління якістю), ISO 13485 (управління якістю медичних виробів).
• Стандарти SAE: SAE AMS 4911 (відпалений лист / смуга / пластина Ti6Al4V).
• Сертифікати: AS9100 (управління якістю в авіації/космічній галузі/обороні) має вирішальне значення для аерокосмічних компонентів.

Послуги з обробки титанових сплавів на верстатах з ЧПК від HLW

HLW пропонує комплексні послуги з обробки титанових сплавів з ЧПК, використовуючи найсучасніше обладнання (3-осьове та 5-осьове фрезерування з ЧПК, точіння, свердління, розточування) та досвід для виготовлення високоякісних деталей у стислі терміни (як правило, до 10 днів). Наші можливості включають

• Обробка титану марок 1-5, 7, 11, 12, 23 та інших сплавів на замовлення.
• Зворотний зв'язок DFM (миттєвий ШІ та людина) для оптимізації дизайну деталей з точки зору технологічності, вартості та якості.
• Різноманітні варіанти обробки поверхні для задоволення функціональних та естетичних вимог.
• Відповідність галузевим стандартам (ASTM, ISO, SAE) і сертифікатам (ISO 9001, AS9100, ISO 13485) для критично важливих застосувань.
• Конкурентоспроможні ціни та гнучкі виробничі потужності для виконання малосерійних замовлень і складних геометричних форм з жорсткими допусками (±0,125 мм / ±0,005″).

Для початку завантажте свій CAD-файл (.STL) на платформу HLW, щоб отримати миттєву пропозицію. Для запитів звертайтеся до нас за адресою 18664342076 або info@helanwangsf.com. HLW прагне допомогти вам впоратися з труднощами, пов'язаними з обробкою титану з ЧПК, і забезпечити виняткові результати для ваших найвимогливіших проектів.