- 5月 17, 2025
钛是一种卓越的CNC加工材料。它能承受高温，且具备耐腐蚀性。此外，它重量轻，还有其他诸多特性。虽然数控加工的钛制零件极为耐用，但加工钛材颇具挑战性，因为其抗拉强度极高。在本文中，我们将提供有关CNC加工钛材的丰富信息，包括如何为加工钛材选择合适的切削刀具，以及确保加工成功的实用技巧。
选择钛材作为数控加工零件制造的优势
钛作为制造材料的关键优势包括其卓越的生物相容性、高度的耐腐蚀性，以及所有金属中高强度重量比。选择钛材进行数控加工零件制造的原因包括：
- 耐用性：钛材极为耐用，非常适合制造需承受恶劣或极端工作条件的数控加工零件。
- 无磁性：这种金属没有磁性。它还具有良好的抗氧化性，因此能抵抗腐蚀力。
- 无毒：钛材耐腐蚀、生物相容性高且无毒，非常适合在医疗行业使用。
钛材的这些特性使其在众多行业得到应用，包括航空航天、医疗和汽车行业。
加工钛材时需考虑的挑战
尽管钛材是有许多用途的优质材料，但制造商在加工时常常会遇到挑战。这些挑战包括：
高化学活性和胶着磨损
加工钛合金时，某些气体会与其发生反应，导致表面氧化和脆化等问题。这可能会削弱零件性能并降低其耐腐蚀性。此外，与高强度相比，钛的弹性模量较低，因此是一种粘性材料，难以加工。由于粘性大，钛可能会粘附在数控切削刀具上，导致刀具损坏和故障。除了刀具损坏外，胶着磨损还常常影响钛材的表面光洁度质量。
热积聚和切削力
在加工钛材时，保持低温是最难克服的挑战之一。原因是钛的热导率低，这会导致金属工件在刀具快速加工的区域产生热量积聚。如果不加以处理，这会加速刀具磨损，并可能对切削表面的质量产生负面影响，尤其是在加工较硬的钛合金时。
对于较硬的钛合金，使用较大的切屑负荷和较低的转速至关重要。高压冷却液也有助于切削刀具更高效地工作，并生产出质量更高的钛制零件。
此外，钛合金需要较大的切削力，这使得其难以切削。这些切削力常常导致刀具磨损、零件不合格和振动大，从而影响产品质量和表面光洁度。
残余应力和加工硬化
由于晶体结构的原因，钛合金的柔韧性并不强，这可能会在加工过程中引发问题。其晶体结构可能会在加工时增加切削力，降低加工便利性，并增加残余应力的可能性。这些应力会导致零件扭曲、开裂或使用寿命缩短。
钛材加工的有用技巧
许多机械加工厂因钛材加工的困难而对这种材料望而却步。然而，由于其卓越的特性，许多制造商仍选择使用钛材生产高质量零件。幸运的是，熟练的数控机械师和刀具制造商已经总结出了一些加工钛材的有用技巧。
牢固固定零件
任何能减少振动的方法都能使加工钛材变得更容易，因为钛材本身就容易产生刀具颤振。为防止工件偏转，应牢固固定零件。此外，使用配备刚性极高的刀具装置的数控机床。为减少刀具偏转，甚至可以考虑使用较短的切削刀具。
选择合适的切削刀具
由于对钛材的需求不断增加，刀具制造商正在开发新策略以提高钛材的可加工性。采用钛碳氮化物（TiCN）或耐热钛铝合金氮化物（TiAlN）涂层的切削刀具使用寿命更长。
总体而言，机械师应选择优质的钛材专用刀具，并定期检查和更换磨损的刀具。此外，考虑使用直径较小且切削刃较多的刀具，以确保工件去除率保持稳定，同时限制热积聚。
考虑切削参数
加工钛材时必须仔细控制温度。将稳定的高压冷却液直接喷射到切削区域是保持工件和刀具冷却的最直接方法之一，这样切屑就不会粘附在切削刀具上。
此外，加工钛材时，必须考虑进给率、主轴转速和切屑负荷。这包括限制施加在刀具和设备上的应力，避免在同一位置停留时间过长。还可以考虑采用替代切削策略，如增加轴向切削深度并减少径向进给量，以提高切削效率并降低加工温度。
使用高压冷却系统防止过热
钛材精加工要求刀具半径的极小部分与工件接触，需要超锋利的刀具和极小的每齿进给量。但这会导致热量难以从工作区域散发。如果不及时处理，最终会损坏切削刀具，且热效应会使保持公差变得困难。
因此，切削钛材时，应使用最佳的冷却液配置，高压冷却系统是一个有效的辅助手段。加工钛材时，增加冷却液浓度也会有益。
不同的钛材牌号和钛合金类型
有不同的钛材牌号和钛合金类型，每种都有其理想的应用场景、优缺点。让我们详细了解一下这些牌号。
1级（低氧含量纯钛）
这是最常用的钛材类型之一，是最软、延展性最好的钛合金。1级钛材具有良好的可加工性、冲击韧性、耐腐蚀性和成型性。缺点是与其他钛材牌号相比，其强度较低。该牌号应用于医疗、汽车和航空航天行业。
2级（标准氧含量纯钛）
也称为通用钛材。它具有高耐腐蚀性、强度、成型性、可焊性、延展性和较高的强度，2级钛材应用于医疗和航空航天行业，用于生产飞机发动机。
3级（中等氧含量纯钛）
虽然不如1级和2级在商业上流行，但这种钛材具有良好的机械性能。它具有高耐腐蚀性、可加工性和强度，应用于医疗、海洋和航空航天行业。
4级（高氧含量纯钛）
这种钛材牌号具有高强度和耐腐蚀性。然而，它难以加工，通常需要大量的冷却液和较高的进给率。4级钛材应用于低温容器、化工过程工业设备、机身部件、热交换器等。
上述1 – 4级均为纯钛，以下部分将介绍不同的钛合金牌号。
- 5级（Ti6Al4V）：5级钛合金含有4%的钒和6%的铝。它不如其他合金强度高，但具有高耐腐蚀性和成型性。适用于发电、海洋和近海应用以及关键机身结构。
- 6级（Ti 5Al – 2.5Sn）：这种钛材牌号具有良好的稳定性、强度和可焊性，尤其是在高温下，应用于机身和喷气发动机的生产。
- 7级（Ti – 0.15Pd）：这种钛材牌号与2级相似，唯一的区别是添加了钯以提高其耐腐蚀性。7级钛合金具有良好的成型性和可焊性。适用于生产化工处理设备。
- 11级（Ti – 0.15Pd）：11级钛材与7级非常相似。然而，它更具延展性，对其他杂质的容忍度更低。其强度低于7级，应用于海洋和氯酸盐制造行业。
- 12级（Ti0.3Mo0.8Ni）：12级钛材价格昂贵，含有0.8%的镍和0.3%的钼，具有良好的可焊性、高温强度和耐腐蚀性。应用于壳体、热交换器、海洋和飞机部件等。
- 23级（T6Al4V – ELI）：也称为超低间隙或TAV – EIL，23级钛材与5级性能相似，但纯度更高。它具有良好的断裂韧性、生物相容性和较差的相对可加工性。应用于生产骨科针、螺钉、外科钉和正畸器具。
如何为加工钛材选择合适的切削刀具？
以下是为铣削钛材或使用其他数控加工技术时选择合适切削刀具的方法。
考虑切削刀具的刀齿数
必须增加立铣刀的刀齿数以缩短产品周期时间。对于钛材，刀齿越多，颤振越小。例如，10齿立铣刀虽然对于大多数材料的理想切屑负荷来说刀齿过密，但非常适合用于加工钛材。这主要是因为需要减少径向进给量。
避免断续切削并保持切削刃锋利
由于钛材的杨氏模量低，它既坚固又有弹性。这意味着为了高效地去除切屑而不产生摩擦，我们需要锋利的刀具。应尽量避免断续切削，因为它们可能会将切屑锤入锋利的刀具边缘，可能导致刀具早期损坏。
考虑切削刀具涂层
涂层可以大大提高刀具承受钛材加工产生热量的能力。TiAlN（钛铝合金氮化物）是一种值得考虑的涂层。它能赋予刀具润滑性，防止积屑瘤、胶着和切屑焊接。
加工钛材时尝试高进给铣刀
高进给铣刀适合在轴向和径向加工钛材时保持低进给量。这些刀具是专门为高效完成这项任务而设计的。
加工钛制零件的表面处理
一系列表面处理技术，包括钛材抛光，可以增强CNC加工钛制产品的功能和美观性。这些表面处理包括：
- 抛光
- 阳极氧化
- 镀铬
- 粉末涂层
- 拉丝
钛材加工零件的应用
钛材加工零件耐用、耐腐蚀且美观，这些特性使其在众多行业得到应用。
- 海洋行业：与大多数自然存在的金属相比，钛材具有更高的耐腐蚀性。这种特性使其非常适合生产螺旋桨轴、水下机器人、索具设备、球阀、海洋热交换器、消防系统管道、泵、排气烟囱衬里和船上冷却系统。
- 航空航天：由于钛材具有众多理想特性，如高强度重量比、出色的耐腐蚀性和在高温环境下的性能，它是航空航天行业备受青睐的材料。航空航天行业的钛材零件包括座椅部件、涡轮部件、轴、阀门、外壳和过滤器部件，以及制氧系统的部件。
- 汽车：在汽车领域，钛材与铝材的争论一直不断，由于铝材的可用性和成本效益，铝材占据上风。尽管如此，钛材仍用于生产汽车零部件。钛材及其合金在汽车上的主要应用包括生产发动机的气门、气门弹簧、保持器、汽车止动支架、悬挂耳螺母、发动机活塞销、悬架弹簧、制动卡钳活塞、发动机摇臂和连杆等采用内燃机的部件。
- 医疗和牙科：医疗行业因钛材的高耐腐蚀性、低导电性和生理pH值而对其有多种应用。医疗行业使用的钛材零件包括锥形、直形或自攻骨螺钉、牙科种植体螺钉、颅骨固定系统的颅骨螺钉、脊柱固定杆、连接器和板、骨科针等。
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结论
钛材及其合金需要精心加工才能实现最佳零件生产。它与钢和黄铜等同类金属有很大不同。加工钛材需要使用正确的工具、专业知识和耐心。这就是为什么将钛材数控加工项目外包给像韦克这样的专业人士通常是最佳选择。
