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)。

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。

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。

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。

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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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。