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CNC加工鈦材:技巧、挑戰(zhàn)與牌號

CNC加工鈦部件

鈦是一種卓越的CNC加工材料。它能承受高溫,且具備耐腐蝕性。此外,它重量輕,還有其他諸多特性。雖然數(shù)控加工的鈦制零件極為耐用,但加工鈦材頗具挑戰(zhàn)性,因為其抗拉強度極高。在本文中,我們將提供有關CNC加工鈦材的豐富信息,包括如何為加工鈦材選擇合適的切削刀具,以及確保加工成功的實用技巧。

選擇鈦材作為數(shù)控加工零件制造的優(yōu)勢

鈦作為制造材料的關鍵優(yōu)勢包括其卓越的生物相容性、高度的耐腐蝕性,以及所有金屬中高強度重量比。選擇鈦材進行數(shù)控加工零件制造的原因包括:

  • 耐用性:鈦材極為耐用,非常適合制造需承受惡劣或極端工作條件的數(shù)控加工零件。
  • 無磁性:這種金屬沒有磁性。它還具有良好的抗氧化性,因此能抵抗腐蝕力。
  • 無毒:鈦材耐腐蝕、生物相容性高且無毒,非常適合在醫(yī)療行業(yè)使用。

鈦材的這些特性使其在眾多行業(yè)得到應用,包括航空航天、醫(yī)療和汽車行業(yè)。

銑削鈦

加工鈦材時需考慮的挑戰(zhàn)

盡管鈦材是有許多用途的優(yōu)質材料,但制造商在加工時常常會遇到挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括:

高化學活性和膠著磨損

加工鈦合金時,某些氣體會與其發(fā)生反應,導致表面氧化和脆化等問題。這可能會削弱零件性能并降低其耐腐蝕性。此外,與高強度相比,鈦的彈性模量較低,因此是一種粘性材料,難以加工。由于粘性大,鈦可能會粘附在數(shù)控切削刀具上,導致刀具損壞和故障。除了刀具損壞外,膠著磨損還常常影響鈦材的表面光潔度質量。

熱積聚和切削力

在加工鈦材時,保持低溫是最難克服的挑戰(zhàn)之一。原因是鈦的熱導率低,這會導致金屬工件在刀具快速加工的區(qū)域產生熱量積聚。如果不加以處理,這會加速刀具磨損,并可能對切削表面的質量產生負面影響,尤其是在加工較硬的鈦合金時。

對于較硬的鈦合金,使用較大的切屑負荷和較低的轉速至關重要。高壓冷卻液也有助于切削刀具更高效地工作,并生產出質量更高的鈦制零件。

此外,鈦合金需要較大的切削力,這使得其難以切削。這些切削力常常導致刀具磨損、零件不合格和振動大,從而影響產品質量和表面光潔度。

殘余應力和加工硬化

由于晶體結構的原因,鈦合金的柔韌性并不強,這可能會在加工過程中引發(fā)問題。其晶體結構可能會在加工時增加切削力,降低加工便利性,并增加殘余應力的可能性。這些應力會導致零件扭曲、開裂或使用壽命縮短。

數(shù)控鈦切割

鈦材加工的有用技巧

許多機械加工廠因鈦材加工的困難而對這種材料望而卻步。然而,由于其卓越的特性,許多制造商仍選擇使用鈦材生產高質量零件。幸運的是,熟練的數(shù)控機械師和刀具制造商已經(jīng)總結出了一些加工鈦材的有用技巧。

牢固固定零件

任何能減少振動的方法都能使加工鈦材變得更容易,因為鈦材本身就容易產生刀具顫振。為防止工件偏轉,應牢固固定零件。此外,使用配備剛性極高的刀具裝置的數(shù)控機床。為減少刀具偏轉,甚至可以考慮使用較短的切削刀具。

選擇合適的切削刀具

由于對鈦材的需求不斷增加,刀具制造商正在開發(fā)新策略以提高鈦材的可加工性。采用鈦碳氮化物(TiCN)或耐熱鈦鋁合金氮化物(TiAlN)涂層的切削刀具使用壽命更長。

總體而言,機械師應選擇優(yōu)質的鈦材專用刀具,并定期檢查和更換磨損的刀具。此外,考慮使用直徑較小且切削刃較多的刀具,以確保工件去除率保持穩(wěn)定,同時限制熱積聚。

考慮切削參數(shù)

加工鈦材時必須仔細控制溫度。將穩(wěn)定的高壓冷卻液直接噴射到切削區(qū)域是保持工件和刀具冷卻的最直接方法之一,這樣切屑就不會粘附在切削刀具上。

此外,加工鈦材時,必須考慮進給率、主軸轉速和切屑負荷。這包括限制施加在刀具和設備上的應力,避免在同一位置停留時間過長。還可以考慮采用替代切削策略,如增加軸向切削深度并減少徑向進給量,以提高切削效率并降低加工溫度。

使用高壓冷卻系統(tǒng)防止過熱

鈦材精加工要求刀具半徑的極小部分與工件接觸,需要超鋒利的刀具和極小的每齒進給量。但這會導致熱量難以從工作區(qū)域散發(fā)。如果不及時處理,最終會損壞切削刀具,且熱效應會使保持公差變得困難。

因此,切削鈦材時,應使用最佳的冷卻液配置,高壓冷卻系統(tǒng)是一個有效的輔助手段。加工鈦材時,增加冷卻液濃度也會有益。

經(jīng)過機械加工的鈦部件

不同的鈦材牌號和鈦合金類型

有不同的鈦材牌號和鈦合金類型,每種都有其理想的應用場景、優(yōu)缺點。讓我們詳細了解一下這些牌號。

1級(低氧含量純鈦)

這是最常用的鈦材類型之一,是最軟、延展性最好的鈦合金。1級鈦材具有良好的可加工性、沖擊韌性、耐腐蝕性和成型性。缺點是與其他鈦材牌號相比,其強度較低。該牌號應用于醫(yī)療、汽車和航空航天行業(yè)。

2級(標準氧含量純鈦)

也稱為通用鈦材。它具有高耐腐蝕性、強度、成型性、可焊性、延展性和較高的強度,2級鈦材應用于醫(yī)療和航空航天行業(yè),用于生產飛機發(fā)動機。

3級(中等氧含量純鈦)

雖然不如1級和2級在商業(yè)上流行,但這種鈦材具有良好的機械性能。它具有高耐腐蝕性、可加工性和強度,應用于醫(yī)療、海洋和航空航天行業(yè)。

4級(高氧含量純鈦)

這種鈦材牌號具有高強度和耐腐蝕性。然而,它難以加工,通常需要大量的冷卻液和較高的進給率。4級鈦材應用于低溫容器、化工過程工業(yè)設備、機身部件、熱交換器等。

上述1 – 4級均為純鈦,以下部分將介紹不同的鈦合金牌號。

  • 5級(Ti6Al4V):5級鈦合金含有4%的釩和6%的鋁。它不如其他合金強度高,但具有高耐腐蝕性和成型性。適用于發(fā)電、海洋和近海應用以及關鍵機身結構。
  • 6級(Ti 5Al – 2.5Sn):這種鈦材牌號具有良好的穩(wěn)定性、強度和可焊性,尤其是在高溫下,應用于機身和噴氣發(fā)動機的生產。
  • 7級(Ti – 0.15Pd):這種鈦材牌號與2級相似,唯一的區(qū)別是添加了鈀以提高其耐腐蝕性。7級鈦合金具有良好的成型性和可焊性。適用于生產化工處理設備。
  • 11級(Ti – 0.15Pd):11級鈦材與7級非常相似。然而,它更具延展性,對其他雜質的容忍度更低。其強度低于7級,應用于海洋和氯酸鹽制造行業(yè)。
  • 12級(Ti0.3Mo0.8Ni):12級鈦材價格昂貴,含有0.8%的鎳和0.3%的鉬,具有良好的可焊性、高溫強度和耐腐蝕性。應用于殼體、熱交換器、海洋和飛機部件等。
  • 23級(T6Al4V – ELI):也稱為超低間隙或TAV – EIL,23級鈦材與5級性能相似,但純度更高。它具有良好的斷裂韌性、生物相容性和較差的相對可加工性。應用于生產骨科針、螺釘、外科釘和正畸器具。

如何為加工鈦材選擇合適的切削刀具?

以下是為銑削鈦材或使用其他數(shù)控加工技術時選擇合適切削刀具的方法。

考慮切削刀具的刀齒數(shù)

必須增加立銑刀的刀齒數(shù)以縮短產品周期時間。對于鈦材,刀齒越多,顫振越小。例如,10齒立銑刀雖然對于大多數(shù)材料的理想切屑負荷來說刀齒過密,但非常適合用于加工鈦材。這主要是因為需要減少徑向進給量。

避免斷續(xù)切削并保持切削刃鋒利

由于鈦材的楊氏模量低,它既堅固又有彈性。這意味著為了高效地去除切屑而不產生摩擦,我們需要鋒利的刀具。應盡量避免斷續(xù)切削,因為它們可能會將切屑錘入鋒利的刀具邊緣,可能導致刀具早期損壞。

考慮切削刀具涂層

涂層可以大大提高刀具承受鈦材加工產生熱量的能力。TiAlN(鈦鋁合金氮化物)是一種值得考慮的涂層。它能賦予刀具潤滑性,防止積屑瘤、膠著和切屑焊接。

加工鈦材時嘗試高進給銑刀

高進給銑刀適合在軸向和徑向加工鈦材時保持低進給量。這些刀具是專門為高效完成這項任務而設計的。

鈦部件的應用

加工鈦制零件的表面處理

一系列表面處理技術,包括鈦材拋光,可以增強CNC加工鈦制產品的功能和美觀性。這些表面處理包括:

  • 拋光
  • 陽極氧化
  • 鍍鉻
  • 粉末涂層
  • 拉絲

鈦材加工零件的應用

鈦材加工零件耐用、耐腐蝕且美觀,這些特性使其在眾多行業(yè)得到應用。

  • 海洋行業(yè):與大多數(shù)自然存在的金屬相比,鈦材具有更高的耐腐蝕性。這種特性使其非常適合生產螺旋槳軸、水下機器人、索具設備、球閥、海洋熱交換器、消防系統(tǒng)管道、泵、排氣煙囪襯里和船上冷卻系統(tǒng)。
  • 航空航天:由于鈦材具有眾多理想特性,如高強度重量比、出色的耐腐蝕性和在高溫環(huán)境下的性能,它是航空航天行業(yè)備受青睞的材料。航空航天行業(yè)的鈦材零件包括座椅部件、渦輪部件、軸、閥門、外殼和過濾器部件,以及制氧系統(tǒng)的部件。
  • 汽車:在汽車領域,鈦材與鋁材的爭論一直不斷,由于鋁材的可用性和成本效益,鋁材占據(jù)上風。盡管如此,鈦材仍用于生產汽車零部件。鈦材及其合金在汽車上的主要應用包括生產發(fā)動機的氣門、氣門彈簧、保持器、汽車止動支架、懸掛耳螺母、發(fā)動機活塞銷、懸架彈簧、制動卡鉗活塞、發(fā)動機搖臂和連桿等采用內燃機的部件。
  • 醫(yī)療和牙科:醫(yī)療行業(yè)因鈦材的高耐腐蝕性、低導電性和生理pH值而對其有多種應用。醫(yī)療行業(yè)使用的鈦材零件包括錐形、直形或自攻骨螺釘、牙科種植體螺釘、顱骨固定系統(tǒng)的顱骨螺釘、脊柱固定桿、連接器和板、骨科針等。

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韋克是一家專業(yè)的CNC機加工廠,在加工鈦材方面具有卓越的專業(yè)能力。我們以極具競爭力的價格為各行業(yè)提供高質量的數(shù)控加工鈦材服務。憑借五軸加工和精密加工設備,我們的設計和工程師團隊始終準備在最短的時間內接收和處理您的訂單,縮短產品上市時間。

結論

鈦材及其合金需要精心加工才能實現(xiàn)最佳零件生產。它與鋼和黃銅等同類金屬有很大不同。加工鈦材需要使用正確的工具、專業(yè)知識和耐心。這就是為什么將鈦材數(shù)控加工項目外包給像韋克這樣的專業(yè)人士通常是最佳選擇。

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