CNC-Bearbeitung von Titan: Legierungen, Herausforderungen und Tipps

Titan und seine Legierungen sind bei uns für ihre hohe Festigkeit, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Es wird in der Luft- und Raumfahrt und in der medizinischen Industrie weit verbreitet. Wir haben viel von Titanteilen profitiert, aber es gibt immer noch viele Einschränkungen bei der CNC-Bearbeitung von Titan. In diesem Artikel wird erläutert, was Titan ist, welche Titanlegierungen es gibt und wie die CNC-Bearbeitung von Titan funktioniert.

Was ist Titan?

Titan ist ein Metallelement. Die Ordnungszahl des Titans im Periodensystem der Elemente ist 22 (4. Periode, Gruppe NB). Es hat einen silberweißen Metallglanz und verfügt über viele hervorragende Eigenschaften wie einen hohen Schmelzpunkt, eine geringe Dichte, eine hohe Festigkeit und eine gute Flexibilität. Es ist wichtig für industrielle Werkstoffe.

Kommerzielles Reintitan

Handelsübliches Reintitan enthält mindestens 99% Reintitan. Vier handelsübliche Reintitanarten, nämlich die Grade 1 - 4. 

Note 1: Der weichste und dehnbarste unter diesen Güten. Sie besitzt die beste Verformbarkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und hohe Schlagzähigkeit.

Note 2: Es hat viele der gleichen Eigenschaften wie Titan Grad 1, ist aber etwas stärker.

Note 3: Er ist fester als die Güteklassen 1 und 2, ähnlich dehnbar und nur geringfügig weniger verformbar.

Note 4: Die stärkste der vier Sorten. Sie zeichnet sich durch Korrosionsbeständigkeit, gute Umformbarkeit und Schweißbarkeit aus.

Mechanische Eigenschaften von handelsüblichem Reintitan

Eigentum	Klasse 1	Klasse 2	Klasse 3	Klasse 4
Zugfestigkeit (MPa)	240	345	450	550
Streckgrenze (MPa)	310	450	550	655
Bruchdehnung（%）	24	20	18	15

Titan-Legierungen

Titan hat zwei Phasen, nämlich die α-Phase und die β-Phase. Je nach den unterschiedlichen Matrixstrukturen, die unter Raumtemperaturbedingungen erhalten werden, können Titanlegierungen in die folgenden drei Kategorien unterteilt werden: Titan α, Titan β und Titan a-β.

Beispiele für Titan

Katagorie	Beispiele
Titan α	Handelsübliches Reintitan (Grad 1 - 4) Ti-5Al-2,5Sn (Klasse 6) Ti-0,2Pd(Grad 7)
Titan β	Ti-5Mo-5V-8Cr-2Al Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al Ti-32Mo
Titan a-β	Ti-6Al-4V (Güteklasse 5) Ti-4Al-4Mo-4Sn-0,5Si

Warum ist die Verarbeitung von Titan so schwierig?

Titanlegierungen haben den Vorteil, dass sie leicht und hochfest sind. Die Schwierigkeit der Verarbeitung von Titanlegierungen hat Ingenieure und Techniker jedoch immer beunruhigt.

Geringe Wärmeleitfähigkeit. Die meisten Titanlegierungen haben eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit, die nur 1/7 von Stahl, 1/16 von Aluminium und 1/25 von Kupfer beträgt. Daher kann die beim Schneiden von Werkstoffen entstehende Wärme nicht so leicht abgeleitet werden und konzentriert sich im Schneidbereich. Dies kann leicht zu einer schnellen Abnutzung und Rissbildung des Werkzeugs führen und eine Spanansammlung erzeugen, die die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzt.

Elastische Verformung von Titan. Der Elastizitätsmodul von Titanlegierungen ist relativ niedrig. Zum Beispiel beträgt der Elastizitätsmodul von TC4 nur 110 GPa, während der von 45er Stahl 210 GPa und der von 303, 304, 316 und anderen nichtrostenden Stählen etwa 200 GPa beträgt. Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen kann es leicht zu elastischen Verformungen kommen, insbesondere bei der Bearbeitung dünnwandiger oder ringförmiger Teile.

Vibration. Die Elastizität von Titanlegierungen mag für die Leistung des Werkstücks von Vorteil sein, sie ist jedoch die Hauptursache für die Vibrationen beim Schneiden. Die bei der Bearbeitung von Titanlegierungen erzeugten Vibrationen sind 10-mal stärker als bei Stahl. Da sich die Schneidewärme im Schneideteil konzentriert, entstehen zickzackförmige Späne, die Schwankungen in der Schneidleistung verursachen.

Titan CNC-Bearbeitungsprozess

Die Titanlegierung ist aufgrund ihrer hohen Festigkeit und schlechten Wärmeleitung eines der am schwierigsten zu bearbeitenden Metalle. Trotzdem können Sie CNC-Bearbeitung Titan mit einer Vielzahl von Verfahren.

CNC-Fräsen

Beim CNC-Fräsen wird ein Werkstück durch Materialabtrag mit rotierenden Werkzeugen in die gewünschte Form gebracht. Es ist wichtig, die verschiedenen Eigenschaften von Titan zu berücksichtigen und die entsprechenden Maßnahmen zum Fräsen von Titanwerkstücken zu ergreifen. Die hohe Festigkeit und Härte von Titan erfordern robuste Fräswerkzeuge, z. B. aus Hartmetall und gehärtetem Stahl.

CNC-Drehen

Beim CNC-Drehen wird ein Werkstück durch Rotation auf einer Spindel in die gewünschte Form gebracht, so dass präzise zylindrische Formen entstehen. Eine gute Zerspanungsleistung kann beim Drehen von Titanlegierungen mit Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl oder Wolframkarbid erzielt werden. Hartmetallwerkzeuge reagieren empfindlich auf Vibrationen und erfordern daher eine starre Vorrichtung.

Wasserstrahlschneiden

Beim Wasserstrahlschneiden wird Wasser unter hohem Druck zum Schneiden verwendet und es entstehen keine hohen Temperaturen, so dass sich die Materialeigenschaften nicht durch thermische Spannungen oder Verformungen verändern. Wenn die Titan-Metallplatte jedoch dicker ist, ist die Oberflächengüte nach der Bearbeitung geringer ist und eine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich ist, um eine höhere Oberflächengüte zu erreichen.

Tipps für die Bearbeitung von Teilen aus Titan

Titanlegierungen zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Es wird häufig verwendet in Prototyping-Anwendungen für die Luft- und Raumfahrt. Trotzdem gibt es immer noch einige Schwierigkeiten bei der Bearbeitung von Titanlegierungen; daher sind besondere Überlegungen erforderlich, um eine effiziente und sichere Bearbeitung zu gewährleisten.

Wählen Sie die richtigen Schneidwerkzeuge: Verwenden Sie Schneidewerkzeuge, die speziell für Titan entwickelt wurden, wie z. B. Hartmetall- oder diamantbeschichtete Werkzeuge. Diese Werkzeuge haben eine höhere Hitzebeständigkeit und können den hohen Schnittkräften standhalten, die für die Titanbearbeitung erforderlich sind.

Optimieren Sie die Schnittparameter: Passen Sie die Schnittparameter wie Geschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe an, um die Wärmeentwicklung zu minimieren und eine Kaltverfestigung zu verhindern. Im Allgemeinen werden bei der Bearbeitung von Titan langsamere Schnittgeschwindigkeiten und höhere Vorschubraten empfohlen.

Kühlmittel verwenden: Verwenden Sie ein Hochdruck-Kühlmittelsystem, um die Wärme abzuleiten und den Werkzeugverschleiß zu verringern. Kühlmittel kann auch dazu beitragen, Kaltverfestigung zu verhindern, indem es die Temperatur der Schneidkante reduziert.

Steifigkeit der Einrichtung: Stellen Sie sicher, dass Ihre Maschine, Ihr Werkstück und Ihr Werkzeug so steif wie möglich sind, um Vibrationen und Werkzeugverformungen zu minimieren. Dies kann durch geeignete Vorrichtungen, Werkzeugauswahl und Maschinenwartung erreicht werden.

Minimieren Sie den Werkzeugeinsatz: Verwenden Sie Techniken wie trochoidales Fräsen oder hocheffizientes Fräsen, um den Werkzeugeinsatz zu minimieren und die Wärmeentwicklung zu verringern. Bei diesen Techniken wird eine geringe radiale Schnitttiefe bei gleichbleibender Spandicke verwendet, was schnellere Vorschubgeschwindigkeiten und ein besseres Wärmemanagement ermöglicht.

Oberflächenveredelung für Titanteile

Titan hat immer noch einige Mängel, wie geringe Verschleißfestigkeit, Oxidation bei hohen Temperaturen und mehr. Um die Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit oder andere Eigenschaften von Titan weiter zu verbessern, muss es einigen Oberflächenbehandlungen unterzogen werden. Die meisten Oberflächenbehandlungen können auf Titan angewendet werden. Im Folgenden sind einige der gängigen Oberflächenbehandlungen für dieses Metall aufgeführt:

Perlstrahlen: mit feinen Partikeln, die mit hoher Geschwindigkeit auf die Titanoberfläche geschossen werden, um sie zu reinigen und zu strukturieren und ihr eine glatte, matte Oberfläche zu verleihen.

Eloxieren: Erhöht die Dicke der natürlichen Oxidschicht auf Titan und bietet eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und zusätzliche leuchtende Farben.

Pulverbeschichtung: Auftragen einer trockenen, pulverförmigen Substanz auf die Titanoberfläche, um eine dauerhafte Schutzschicht zu bilden.

Polieren: Glättung der Titanoberfläche zu einem glänzenden, spiegelähnlichen Finish.

Verchromen: Beschichtung von Titan mit einer dünnen Chromschicht, die eine glänzende, reflektierende Oberfläche ergibt.

Bürsten: Sie erzeugt feine, parallele Linien auf der Titanoberfläche und bietet eine strukturierte Oberfläche.

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