Titan und seine Legierungen sind bei uns für ihre hohe Festigkeit, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrt und in der medizinischen Industrie verwendet. 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.
Grad 1: Die weichste und dehnbarste dieser Sorten. Sie besitzt die beste Verformbarkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und hohe Schlagzähigkeit.
Grad 2: Es hat viele der gleichen Eigenschaften wie Titan Grad 1, ist aber etwas stärker.
Grad 3: Sie ist fester als die Grad 1 und 2, ähnlich dehnbar und nur geringfügig weniger verformbar.
Grade 4: The strongest of the four grades. It possesses corrosion resistance, good formability, and weldability.
Mechanische Eigenschaften von handelsüblichem Reintitan
| Eigentum | Grad 1 | Grad 2 | Grad 3 | Grad 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. Entsprechend 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 | Kommerzielles Reintitan (Grad 1 – 4) Ti-5Al-2,5Sn (Grad 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 (Grade 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 erzeugte Wärme nicht so leicht abgeleitet werden und konzentriert sich im Schneidbereich. Dies kann leicht zu einer schnellen Abnutzung und Rissbildung des Werkzeugs führen und Späneansammlungen erzeugen, die die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzen.
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.
Erschütterung. 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.
CNC-Bearbeitung von Titan
Die Titanlegierung ist aufgrund ihrer hohen Festigkeit und schlechten Wärmeleitung eines der am schwierigsten zu bearbeitenden Metalle. Nichtsdestotrotz können Sie Titan mit einer Vielzahl von Verfahren CNC-bearbeiten.
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. Ist das Titanblech jedoch dicker, ist die Oberflächengüte nach der Bearbeitung geringer, und es ist eine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich, um eine höhere Oberflächengüte zu erzielen.
Tipps für die Bearbeitung von Teilen aus Titan
Titanlegierungen zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Sie wird häufig in der Luft- und Raumfahrt für Prototyping-Anwendungen verwendet. Trotzdem gibt es 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 Schneidwerkzeuge, die speziell für Titan entwickelt wurden, wie z. B. Hartmetall- oder diamantbeschichtete Werkzeuge. Diese Werkzeuge sind hitzebeständiger und können den hohen Schnittkräften standhalten, die für die Titanbearbeitung erforderlich sind.
Optimieren Sie die Schnittparameter: Passen Sie Schnittparameter wie Geschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe an, um die Wärmeentwicklung zu minimieren und Kaltverfestigung zu vermeiden. 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 eingerichtet 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 das trochoidale Fräsen oder das Hochleistungsfräsen, um den Werkzeugeinsatz zu minimieren und die Wärmeentwicklung zu verringern. Bei diesen Techniken wird eine geringe radiale Schnitttiefe verwendet, während eine konstante Spandicke beibehalten wird, was schnellere Vorschubraten 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, mit hoher Geschwindigkeit geschossenen Partikeln wird die Titanoberfläche gereinigt und strukturiert, so dass sie eine glatte, matte Oberfläche erhält.
Eloxieren: Erhöht die Dicke der natürlichen Oxidschicht auf Titan und bietet eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und zusätzliche leuchtende Farben.
Pulverbeschichtung: Aufbringen einer trockenen, pulverförmigen Substanz auf die Titanoberfläche, um eine dauerhafte Schutzschicht zu bilden.
Polieren: Glätten der Titanoberfläche zu einem glänzenden, spiegelähnlichen Finish.
Verchromen: Beschichtung von Titan mit einer dünnen Chromschicht, die eine glänzende, reflektierende Oberfläche ergibt.
Bürsten: Erzeugt feine, parallele Linien auf der Titanoberfläche und bietet eine strukturierte Oberfläche.
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