مقدمه
تیتانیوم یک ماده بسیار ارزشمند به دلیل نسبت استثنایی استحکام به وزن آن است, مقاومت در برابر خوردگی برتر, و زیست سازگاری. این ویژگی ها آن را در بخش های مختلف از هوا فضا و تجهیزات پزشکی گرفته تا مهندسی خودرو و دریایی ضروری می کند.. CNC (کنترل عددی کامپیوتر) ماشینکاری تیتانیوم به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد ماده به دانش و تکنیک‌های تخصصی نیاز دارد. این راهنما به نکات ضروری می پردازد, چالش ها, و نمرات تیتانیوم برای موثر ماشینکاری CNC.
1. چرا تیتانیوم را برای قطعات ماشینکاری CNC انتخاب کنید؟?
تیتانیوم به دلیل خواص برجسته اش برای قطعات ماشینکاری CNC مورد علاقه است:
- نسبت قدرت به وزن: تیتانیوم یکی از بالاترین نسبت استحکام به وزن هر فلز را ارائه می دهد, آن را برای کاربردهایی که هم به دوام و هم سبکی نیاز دارند ایده آل است.
- مقاومت در برابر خوردگی: به طور طبیعی یک لایه اکسید محافظ را تشکیل می دهد, که در برابر خوردگی در محیط های سخت مقاومت می کند.
- زیست سازگاری: تیتانیوم در برابر خوردگی مقاوم است, دارای سازگاری زیستی بالا و خواص غیر سمی است که برای استفاده در صنعت پزشکی ایده آل است.
- غیر مغناطیسی: این فلز هیچ ویژگی مغناطیسی ندارد.
- صنایع رایج: هوافضا, پزشکی, خودرو, و بخش های دریایی به طور گسترده از تیتانیوم برای قابلیت های عملکرد بالا استفاده می کنند.
2. چالش هایی که باید در هنگام ماشینکاری تیتانیوم در نظر گرفت
در حالی که ماشینکاری CNC تیتانیوم مزایای بسیاری را ارائه می دهد, همچنین چالش های متعددی را به همراه دارد:
- واکنش پذیری شیمیایی بالا و گال
واکنش‌پذیری شیمیایی بالای تیتانیوم می‌تواند باعث واکنش گازها با سطح آن در حین ماشینکاری شود, منجر به اکسیداسیون می شود, شکنندگی, و مقاومت در برابر خوردگی را کاهش داد. علاوه بر این, مدول الاستیسیته پایین آن آن را «صمغی» می کند,” باعث چسبیدن آن به ابزارهای برش و آسیب به ابزار و پوشش ضعیف سطح می شود. - ایجاد گرما و نیروهای برش
هدایت حرارتی کم تیتانیوم باعث تجمع گرما در نقطه برش می شود, منجر به سایش سریع ابزار و آسیب احتمالی سطح می شود, به خصوص با آلیاژهای سخت تر. برای کاهش این, از یک دور در دقیقه کمتر با بار تراشه بزرگ‌تر استفاده کنید و از مایع خنک‌کننده فشار بالا برای حفظ دمای برش خنک‌تر استفاده کنید.. نیروهای برش بالای مورد نیاز برای ماشینکاری تیتانیوم نیز به سایش ابزار کمک می کند, ارتعاش, و کیفیت سطح را کاهش داد. - تنش های پسماند و سخت شدن
ساختار کریستالی آلیاژهای تیتانیوم می تواند نیروهای برش را افزایش دهد, منجر به تنش های پسماند می شود که ممکن است باعث تاب برداشتن قطعات شود, کرک, یا به مرور زمان ضعیف می شود, بر دوام و دقت قطعات ماشینکاری شده تأثیر می گذارد.
3. نکات مفید برای ماشینکاری تیتانیوم
برای غلبه بر این چالش ها, چندین استراتژی را می توان به کار گرفت:
- انتخاب ابزار: ابزارهای کاربید یا سرامیکی با هندسه و پوشش های مناسب طراحی شده برای تیتانیوم را انتخاب کنید..
- پارامترهای برش: سرعت را تنظیم کنید, نرخ خوراک, و عمق برش برای مدیریت گرما و به حداقل رساندن سایش ابزار.
- خنک کننده و روانکاری: برای مدیریت موثر گرما و افزایش عمر ابزار از خنک کننده فشار بالا استفاده کنید.
- تکنیک های کار: برای به حداقل رساندن لرزش و پچ پچ، از اتصالات سفت و سخت استفاده کنید.
- استراتژی ماشینکاری: برای کاهش گرما و بار ابزار، از فرز صعودی و برش های عمقی سبک استفاده کنید.
- مدیریت تراشه: برای جلوگیری از سخت شدن کار و حفظ کیفیت سطح، از حذف کارآمد براده ها اطمینان حاصل کنید.
این نکات به حفظ عمر ابزار کمک می کند, بهبود کارایی, و رسیدن به پایان مطلوب.
4. نمرات مختلف تیتانیوم برای ماشینکاری CNC
تیتانیوم در گریدها و آلیاژهای مختلف وجود دارد, هر کدام برای کاربردهای خاص با مزایا و معایب منحصر به فرد مناسب هستند. در اینجا مروری مختصر از نمرات کلیدی تیتانیوم است:
گریدهای تیتانیوم خالص
- درجه 1 (محتوای کم اکسیژن):
نرم ترین و انعطاف پذیرترین تیتانیوم, برای ماشین کاری عالی شناخته شده است, چقرمگی ضربه, مقاومت در برابر خوردگی, و شکل پذیری. با این حال, استحکام کمتری نسبت به سایر گریدها دارد. در پزشکی استفاده می شود, خودرو, و کاربردهای هوافضا.
- درجه 2 (محتوای استاندارد اکسیژن):
معروف به "تیتانیوم اسب کار,” توازن قدرت را ارائه می دهد, مقاومت در برابر خوردگی, شکل پذیری, و جوش پذیری. معمولاً در تجهیزات پزشکی و هوافضا برای موتورهای هواپیما استفاده می شود.
- درجه 3 (محتوای اکسیژن متوسط):
کمتر از نمرات محبوب است 1 و 2, اما خواص مکانیکی خوبی ارائه می دهد, مقاومت در برابر خوردگی بالا, و ماشین کاری. در پزشکی استفاده می شود, دریایی, و رشته های هوافضا.
- درجه 4 (محتوای اکسیژن بالا):
دارای مقاومت بالا و مقاومت در برابر خوردگی است اما برای ماشین کاری چالش برانگیز است, نیاز به خنک کننده بیشتر و نرخ تغذیه بالاتر. در عروق کرایوژنیک استفاده می شود, اجزای بدنه هواپیما, مبدل های حرارتی, و تجهیزات CPI.
گریدهای آلیاژ تیتانیوم
- درجه 5 (Ti6Al4V):
یک آلیاژ پرکاربرد با 6% آلومینیوم و 4% وانادیم, ارائه مقاومت در برابر خوردگی و شکل پذیری بالا, هر چند نه قوی ترین. ایده آل برای تولید برق, دریایی, و سازه های حیاتی هوافضا.
- درجه 6 (از 5 Al-2.5Sn):
به دلیل ثبات آن شناخته شده است, قدرت, و قابلیت جوشکاری در دماهای بالا, آن را برای بدنه هواپیما و موتورهای جت مناسب می کند.
- درجه 7 (از-0.15Pd):
مشابه درجه 2 اما با پالادیوم اضافه شده برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی. به دلیل شکل پذیری و جوش پذیری خوب برای تجهیزات پردازش شیمیایی عالی است.
- درجه 11 (از-0.15Pd):
مانند درجه 7 اما انعطاف پذیرتر و با تحمل ناخالصی کمتر. استحکام کمی پایین تری دارد و در تولیدات دریایی و کلرات استفاده می شود.
- درجه 12 (Ti0.3Mo0.8Ni):
حاوی 0.8% نیکل و 0.3% مولیبدن, ارائه جوش پذیری برتر, استحکام در دمای بالا, و مقاومت در برابر خوردگی. در مبدل های حرارتی استفاده می شود, دریایی, و اجزای هواپیما.
- درجه 23 (T6Al4V-ELI):
همچنین به عنوان بینابینی بسیار کم یا TAV-EIL شناخته می شود, درجه 23 تیتانیوم خواص مشابهی با درجه دارد 5 اما خالص تر است. چقرمگی شکست خوبی دارد, زیست سازگاری, و ماشینکاری نسبی ضعیف. در تولید پین های ارتوپدی کاربرد دارد, پیچ ها, منگنه های جراحی, و وسایل ارتودنسی.
5. مقایسه نمرات تیتانیوم برای ماشینکاری
ماشینکاری در گریدها متفاوت است, با تیتانیوم خالص (نمرات 1-4) قابلیت ماشینکاری بیشتر از گریدهای آلیاژی دارد. هنگام انتخاب نمره, الزامات خاص درخواست خود را در نظر بگیرید, مانند مقاومت در برابر خوردگی, قدرت, و مقرون به صرفه بودن.
6. ابزار و تجهیزات برای ماشینکاری تیتانیوم
- ماشین آلات CNC: ماشین های CNC با گشتاور بالا که قادر به انجام حرکات دقیق هستند ضروری هستند.
- انواع ابزار: آسیاب های پایانی, مته ها, و درج ها باید از موادی ساخته شوند که در برابر ماهیت ساینده تیتانیوم مقاوم باشند, مانند کاربیدهای پوشش داده شده یا سرامیک.
7. چگونه ابزار برش مناسب را برای ماشینکاری تیتانیوم انتخاب کنیم؟
انتخاب ابزارهای برش مناسب برای ماشینکاری تیتانیوم به دلیل خواص منحصر به فرد این فلز بسیار مهم است., مانند استحکام بالا, هدایت حرارتی کم, و واکنش شیمیایی. این ویژگی ها تیتانیوم را برای ماشین کاری چالش برانگیز می کند, نیاز به مواد ابزار خاص, هندسه ها, و پوشش ها برای دستیابی به نتایج مطلوب. در اینجا راهنمای انتخاب ابزارهای برش مناسب برای ماشینکاری تیتانیوم است:
1. مواد ابزار مناسب را انتخاب کنید
- ابزار کاربید: ابزار کاربید به دلیل سختی، رایج ترین انتخاب برای ماشینکاری تیتانیوم است, سختی, و مقاومت در برابر سایش. نمرات با محتوای کبالت بالا ترجیح داده می شوند زیرا مقاومت حرارتی و حفظ لبه بهتری دارند.
- ابزار کاربید پوشش داده شده: استفاده از پوشش هایی مانند نیترید آلومینیوم تیتانیوم (TiAlN) یا نیترید کروم آلومینیوم (AlCrN) ابزار کاربید باعث بهبود مقاومت حرارتی و کاهش سایش ابزار می شود. این پوشش ها به دفع گرما از لبه برش و به حداقل رساندن واکنش های شیمیایی با تیتانیوم کمک می کنند..
- ابزار سرمت: متشکل از سرامیک و فلز, ابزارهای سرمت مقاومت در برابر سایش عالی دارند و می توانند سرعت برش بالاتری را تحمل کنند. آنها برای عملیات تکمیلی که در آن گرمای کمتری تولید می شود مناسب هستند.
- الماس سرامیکی و پلی کریستالی (PCD) ابزار: برای کاربردهای خاص تکمیل سرعت بالا, ابزارهای سرامیکی یا PCD می توانند موثر باشند. با این حال, آنها شکننده هستند و به دلیل عدم چقرمگی برای عملیات زبر ایده آل نیستند.
2. هندسه ابزار مناسب را انتخاب کنید
- لبه های برش تیز: از ابزارهای تیز استفاده کنید, زوایای چنگک مثبت برای به حداقل رساندن نیروهای برش و کاهش تولید گرما. ابزارهای تیز نیز به جلوگیری از سفت شدن کار و گاز گرفتن کمک می کنند, که مسائل رایج در هنگام ماشینکاری تیتانیوم هستند.
- زاویه مارپیچ بهینه: انتخاب ابزارهایی با زاویه مارپیچ صحیح باعث بهبود تخلیه تراشه و کاهش لرزش می شود, که برای حفظ کیفیت پرداخت سطح و عمر ابزار بسیار مهم است. زاویه مارپیچ بالاتر اغلب در کاهش پچ پچ موثرتر است.
- هسته قوی و طراحی سفت و سخت: آسیاب های انتهایی با هسته های ضخیم تر و تعداد فلوت های کاهش یافته قوی تر و کمتر مستعد انحراف هستند., که به حفظ دقت و کاهش خطر شکستگی در هنگام برش های سنگین کمک می کند.
3. پوشش های ابزار و درمان ها را در نظر بگیرید
- پوشش های TiAlN و AlCrN: این پوشش ها برای مقاومت در برابر دماهای بالا و کاهش میل ترکیب شیمیایی بین ابزار و تیتانیوم طراحی شده اند., کاهش شانس ایجاد لبه (صحبت کنید) تشکیل و گند زدن.
- کربن شبیه الماس (DLC) پوشش ها: برای کاربردهای خاص, پوشش‌های DLC می‌توانند با کاهش اصطکاک و افزایش مقاومت در برابر سایش، عملکرد بهتری را ارائه دهند, به ویژه در آلیاژهای تیتانیوم غیر آهنی.
4. بهینه سازی پارامترهای برش
- سرعت برش کمتر: هدایت حرارتی کم تیتانیوم به این معنی است که گرما در نزدیکی منطقه برش متمرکز باقی می ماند. استفاده از سرعت برش کمتر (به طور معمول 30-60 متر در دقیقه) به مدیریت تجمع گرما و افزایش عمر ابزار کمک می کند.
- نرخ خوراک متوسط: متعادل کردن نرخ تغذیه با سرعت برش ضروری است. نرخ تغذیه متوسط به حفظ ضخامت تراشه کمک می کند, که برای دفع موثر گرما و اجتناب از سخت شدن کار ضروری است.
- خنک کننده با فشار بالا: استفاده از سیستم های خنک کننده با فشار بالا برای ماشین کاری تیتانیوم بسیار مهم است. آنها به حذف گرما و تراشه ها از ناحیه برش کمک می کنند, جلوگیری از آسیب ابزار و اطمینان از پرداخت بهتر سطح.
5. از استراتژی مسیر ابزار مناسب استفاده کنید
- آسیاب تروکوئیدال: این استراتژی فرز پیشرفته شامل گرفتن اعماق شعاعی کوچکتر برش و عمق محوری زیاد است., که تولید گرما را به حداقل می رساند و نیروهای برشی را به طور مساوی توزیع می کند, افزایش عمر ابزار.
- حفاری پک: هنگام حفاری تیتانیوم, حفاری پک می تواند برای شکستن تراشه ها و تخلیه آنها از سوراخ استفاده شود, کاهش خطر گرفتگی تراشه و ایجاد گرما.
- درگیری دائمی کاتر: برای جلوگیری از تغییرات ناگهانی بار، زاویه درگیری برش را ثابت نگه دارید, که می تواند باعث ایجاد ارتعاش شده و عمر ابزار و کیفیت قطعه را تحت تاثیر قرار دهد.
6. از کار و استحکام مناسب ماشین اطمینان حاصل کنید
- کار پایدار: از دقت بالا استفاده کنید, راه حل های سفت و سخت برای به حداقل رساندن ارتعاشات و اطمینان از پایداری در حین ماشین کاری. لرزش کاهش یافته نه تنها سطح را بهبود می بخشد، بلکه از خرد شدن ابزار نیز جلوگیری می کند.
- ماشین ابزار سفت و سخت: ماشین‌های CNC با سفتی و ظرفیت میرایی بالا برای ماشینکاری موثر تیتانیوم ضروری هستند. آنها به به حداقل رساندن ارتعاشات کمک می کنند, حفظ ثبات ابزار, و کنترل دقیق نیروهای برش را فراهم می کند.
8. پوشش های سطحی برای قطعات تیتانیوم ماشینکاری شده
طیفی از تکمیل سطح تکنیک‌ها می‌توانند محصولات تیتانیوم ماشینکاری CNC را به دلایل عملکردی و زیبایی‌شناختی افزایش دهند. تیتانیوم را می توان با استفاده از روش هایی مانند پرداخت, پوشش پودری, پوشش PVD, مسواک زدن, آندایز کردن, و بلاست مهره ای برای دستیابی به پوشش های سطحی مطلوب که مطابق با استانداردهای صنعتی خاص باشد.
9. تکنیک های پیشرفته برای ماشینکاری تیتانیوم
- ماشینکاری برودتی: از نیتروژن مایع برای خنک کردن ناحیه برش استفاده می کند, کاهش سایش ابزار و بهبود کیفیت قطعات.
- ماشینکاری به کمک اولتراسونیک: با اعمال ارتعاشات اولتراسونیک سرعت حذف مواد را افزایش می دهد و سایش ابزار را کاهش می دهد.
- 5-ماشینکاری محور: ایده آل برای ایجاد هندسه های پیچیده و اطمینان از دقت بالا در قطعات چند وجهی.
10. کنترل کیفیت در ماشینکاری CNC تیتانیوم
هنگام ماشینکاری تیتانیوم، حفظ تلرانس ها و دقت بسیار مهم است. اقدامات کنترل کیفیت شامل:
- ماشین های اندازه گیری مختصات (CMM): برای اندازه گیری دقیق و رعایت مشخصات.
- درمان های پس از ماشین کاری: عملیات حرارتی, تکمیل سطح, و بازرسی اطمینان حاصل می کند که محصول نهایی با مشخصات مطابقت دارد.
11. کاربردهای رایج قطعات تیتانیوم ماشینکاری شده
تیتانیوم به طور گسترده در صنایع برای قطعاتی که نیاز به استحکام دارند استفاده می شود, خواص سبک وزن, و مقاومت در برابر خوردگی:
مقاومت استثنایی تیتانیوم در برابر خوردگی آن را برای کاربردهای دریایی ایده آل می کند. معمولاً در تولید شفت پروانه استفاده می شود, رباتیک زیر آب, تقلب, دریچه های توپ, مبدل های حرارتی دریایی, لوله کشی سیستم آتش نشانی, پمپ ها, آستر پشته اگزوز, و سیستم های خنک کننده داخلی.
هوافضا
نسبت استحکام به وزن بالای تیتانیوم, مقاومت در برابر خوردگی, و تحمل گرما آن را به یک ماده ترجیحی در هوا فضا تبدیل می کند. برای اجزای صندلی استفاده می شود, قطعات توربین, شفت ها, دریچه ها, مسکن ها, فیلترها, و قطعات سیستم تولید اکسیژن.
خودرو
در حالی که آلومینیوم به دلیل در دسترس بودن و مقرون به صرفه بودن اغلب در بخش خودرو مورد علاقه است, تیتانیوم هنوز برای قطعات با کارایی بالا استفاده می شود. از جمله دریچه ها هستند, فنر سوپاپ, نگهدارنده ها, پیستون های کالیپر ترمز, پین های پیستون موتور, فنرهای تعلیق, براکت های توقف, راکر موتور, و میله های اتصال.
پزشکی و دندانپزشکی
تیتانیوم به دلیل مقاومت در برابر خوردگی در زمینه پزشکی بسیار ارزشمند است, هدایت الکتریکی کم, و زیست سازگاری. در پیچ های استخوانی استفاده می شود, ایمپلنت های دندانی, پیچ های جمجمه ای برای تثبیت, میله های نخاعی, اتصال دهنده ها, بشقاب ها, و پین های ارتوپدی.
12. روندهای آینده در ماشینکاری تیتانیوم
- پیشرفت در مواد و پوشش های ابزار: مواد و پوشش های جدید عمر ابزار را افزایش داده و کارایی ماشینکاری را بهبود می بخشد.
- نوآوری در تکنیک های ماشینکاری و اتوماسیون: اتوماسیون بهره وری و ثبات را افزایش می دهد.
- روش های ماشینکاری پایدار و مقرون به صرفه: روی به حداقل رساندن ضایعات و مصرف انرژی تمرکز کنید.
13. DEZE را برای ماشینکاری قطعات تیتانیوم انتخاب کنید
DEZE در ماشینکاری CNC تیتانیوم با تجهیزات پیشرفته تخصص دارد, ماشین آلات ماهر, و تعهد به کیفیت, اطمینان از کیفیت بالای قطعات متناسب با نیازهای خاص شما.
14. نتیجه گیری
خواص منحصر به فرد تیتانیوم آن را به ماده ای با ارزش برای ماشینکاری CNC تبدیل می کند. با وجود چالش ها, پیروی از بهترین شیوه ها و استفاده از تکنیک های پیشرفته می تواند نتایج استثنایی به همراه داشته باشد. چه برای قطعات هوافضا یا دستگاه های پزشکی, انتخاب درجه مناسب و به کارگیری استراتژی‌های ماشینکاری موثر، کلید موفقیت پروژه‌های ماشینکاری تیتانیوم است.
مرجع محتوا：https://dz-machining.com/تیتانیوم-در مقابل-آلومینیوم/
سوالات متداول
ماشینکاری تیتانیوم سخت تر از فولاد است?
بله, ماشینکاری تیتانیوم چالش برانگیزتر از فولاد است, عمدتاً به دلیل نقطه ذوب بالا و تمایل به کشش به جای شکستن است. این چکش خواری، ماشینکاری دقیق را دشوارتر می کند.
نرخ تغذیه آسیاب برای تیتانیوم چقدر است?
برای آسیاب تیتانیوم, سرعت برش 40 به 150 m/min توصیه می شود, با نرخ خوراک در محدوده 0.03 به 0.15 میلی متر در هر دندان.
چگونه استرس را در تیتانیوم پس از ماشین کاری کاهش دهید؟?
آلیاژهای تیتانیوم می‌توانند بدون از دست دادن استحکام یا شکل‌پذیری، تحت تنش‌زدایی قرار گیرند. این فرآیند شامل حرارت دادن فلز به 595-705 درجه سانتی گراد (1100-1300 درجه فارنهایت) به مدت یک تا دو ساعت, به دنبال آن خنک کننده هوا.
