鈦的強度是鋁的兩倍，具有所有金屬中最高的強度重量比，並且具有生物相容性。這些品質使其成為需要承受惡劣條件的產品的首選材料。但這種強度是否會對鈦加工帶來挑戰？
透過這篇文章來了解鈦數控加工的歷程。它提到了加工挑戰、常見鈦合金牌號以及加工鈦合金的應用。
為什麼選擇鈦進行CNC加工？
鈦的歷史相對較新。它於 20 世紀首次被亨特分離出來，並在本世紀中葉被蘇聯人首次在軍事應用中進行商業用途。隨著時間的推移，它在航空和航海業中變得流行。
但是，什麼使它適合CNC加工呢？具有以下特點：
耐腐蝕性能
鈦具有耐腐蝕的特性－當它暴露在空氣中時，它的表面就會形成一層薄薄的、穩定的氧化層。氧化鈦層可作為屏障並進一步防止氧化或腐蝕。
輕量化
鈦的強度與鋼相當，但重量卻輕 40%。其密度約為 4.5 克/立方厘米，而鋼的密度約為 7.8 克/立方厘米。這對於航空航天工業和重量至關重要的工業是有益的。
生物相容性
鈦由於其惰性和在生物環境中優異的耐腐蝕性而具有生物相容性。它不會與體液發生反應或引起免疫反應。因此，它是醫療植入物和義肢的理想材料。
高強度重量比
鈦的強度重量比是金屬中最高的之一。它的強度是鋁的兩倍，而重量僅為鋁的 1.67 倍，這使其具有卓越的強度重量比。
無磁
鈦具有順磁性，即具有弱磁性。其非磁性特性有助於減少加工過程中的干擾，而磁性材料可能會破壞設備。
鈦CNC加工面臨的挑戰
鈦具有許多所需的特性，但其中一些特性（例如強度）對機械加工提出了挑戰。
磨損和塗膠
純鈦的彈性模量較低，但強度較高。這些對比鮮明的特性使其在加工過程中變成黏性材料。這會導致切屑形成不良並增加磨損的可能性。
熱量積聚
鈦是熱的不良導體，會導致熱量積聚在切割刃和工件界面處，特別是在高加工速度下。這種熱量積聚會加速工具和工件的磨損。
彈性變形
低彈性模量也會導致材料變形。其無支撐部分在加工過程中可能會變形，很難保持尺寸精度，特別是涉及薄零件時。
此外，它在變形後往往會回彈，這可能進一步為實現正確的公差帶來挑戰。
高切削力
由於鈦合金的晶體結構和固有硬度，鈦合金需要較高的切削力，這增加了切削過程中的加工難度、刀具磨損和能耗。
加工硬化
鈦在機械加工過程中往往會加工硬化，即每次切割後材料表面都會變得越來越硬。這使得後續切割變得更加困難，導致刀具額外磨損。
最適合加工的鈦合金材質
已知的鈦合金牌號大約有 50 種，但 ASTM 認可其中 31 種。根據其性能和成分，鈦合金主要分為三種類型：α合金、β合金和α-β合金。
α-鈦合金
α-鈦是商業純鈦合金，含有少量 鋁 或鐵以穩定。它們具有優異的高溫穩定性、耐腐蝕性和耐用性。儘管它們的延展性可能不如其他鈦類型，但它們重量輕且可成型。 1 至 4 級鈦屬於這一組。
- 鈦 1 級 由於其優異的機械加工性和成型性而被廣泛使用。它是所有鈦合金等級中最軟且最具延展性的。然而，與其他牌號相比，其強度較低，限制了其在要求更高的結構應用中的使用。
- 鈦 2 級也被稱為鈦的“主力”，具有高耐腐蝕性、強度、成型性和焊接性的平衡。它具有成本效益，這使其成為焊接和陽極氧化的有利選擇。
| 級 | 組成 | 極限拉伸強度 （兆帕） | 洛氏硬度 | 應用領域 |
| 鈦 1 級 | 99% 鈦 0.2%鐵 0.18% 氧氣 N、C、H（微量） | 240 | B32 | 電鍍、管道 |
| 鈦 2 級 | 99% 鈦 0.3%鐵 0.25% 氧氣 N、C、H（微量 | 345 | B55 | 陽極氧化、焊接、襯裡材料 |
β鈦合金
β 鈦合金透過釩、鈀或鉬等元素進行穩定。就強度而言，它們與阿爾法合金相似，但更具延展性和強大性，這使得它們更適合複雜成型。
11 級鈦是該類別中流行的合金。它具有優異的耐腐蝕性，特別是在酸性環境中，類似於 1 級和 2 級。
| 級 | 組成 | 極限拉伸強度 （兆帕） | 洛氏硬度 | 應用領域 |
| 鈦 11 級 | 99.75% 鈦 0.25% 鈀 | 240 | B32 | 化學加工、焊接、泵浦、H.Es |
α-β鈦合金
這些合金具有 α 型和 β 型的混合特性。您將看到強度、延展性、耐腐蝕性和高溫穩定性的平衡組合。
5級鈦是應用最廣泛的鈦合金，約佔 全球鈦用量的一半。可以對其進行熱處理以進一步提高其機械性能。
9級鈦合金是另一種平衡的鈦合金。它比 Grade 5 更容易加工，使其成為某些 CNC 加工應用的首選。
| 級 | 組成 | 極限拉伸強度 （兆帕） | 洛氏硬度 | 應用領域 |
| 鈦 5 級 | 88-90% 鈦 5.5-6.75% 鋁 3.5-4.5%V | 950 | C30 | 航空航太零件、醫療植入物、3D 列印 |
| 鈦 9 級 | 94.5% 鈦 3% 鋁 2.5% 電壓 | 900 | B90 | 船舶和航空航太零件 |
CNC加工鈦時的注意事項
考慮到所面臨的挑戰，以下幾點注意事項和技巧可以幫助您在加工鎂時獲得所需的結果：
選擇合適的牌號
鈦價格昂貴，選擇錯誤的牌號會迅速提高項目的價格。所以，你必須明智地選擇。例如，如果您的專案涉及大量材料去除，那麼 2 級鈦金屬由於其更高的機械加工性是更好的選擇。另一方面，如果您的應用需要在極端溫度下具有高強度，則 5 級鈦更合適。
設計建議
鈦非常適合多種產品應用，但您仍需要驗證加工特定尺寸是否可行。例如，鈦零件可實現的最小壁厚通常在 0.5 毫米至 0.8 毫米之間。
當涉及到加工特徵時，可以創建底切、方形輪廓、全半徑輪廓和燕尾輪廓等加工特徵，但必須仔細考慮深度。例如，孔深不得超過鑽頭直徑的12倍，立銑刀的深度不得超過刀具直徑的10倍。
切割工具
由於鈦的韌性和彈性，加工鈦需要專用工具。標準工具無效。強烈建議帶有物理氣相沉積 (PVD) 塗層的硬質合金刀具。如今，帶有氮化鈦鋁 (TiAlN) 塗層的工具已經上市——它們更有效。
切割鈦時，鋒利的工具至關重要，因為其彈性特性會導致鈍工具摩擦而不是切割，從而引起顫動。
對於數控銑削，請注意立銑刀上的凹槽數量。使用具有更多凹槽的刀具來減少振動並改善整體加工過程。例如，10 刃立銑刀可有效銑削鈦合金。高進給銑刀是另一種選擇，特別是在處理軸向和徑向切削時。
切削速度和進給量
鈦在切削時往往會變硬，這對工具產生更大的磨損。因此，建議採用恆定的進給速度。如果您的機器允許，提高進給率可以最大限度地減少刀具在某一區域停留的時間，從而有助於減少熱量積聚。
對於精加工操作，請使用非常輕的切削，並儘量減少刀具接觸，但請注意，這會使散熱變得更加困難。因此，您需要始終配備高壓冷卻液系統。
在某些情況下，替代切削策略可能是增加軸向切削深度，同時減少徑向嚙合。這有助於提高切削效率並降低加工溫度。
材質緊固
材料的彈性性質要求小心夾緊。使用具有嚴格設定和高品質刀具佈置的CNC機床。您還可以使用較短的切削刀具來最大限度地減少刀具變形並提高切削過程中的穩定性。
鈦合金後加工的精加工技術
機械加工後，鈦可以進行以下任何精加工目的，以獲得所需的外觀和感覺：
- 陽極氧化：一種電化學過程，可增強材料的耐腐蝕性並允許著色。它是透過增加鈦上氧化層的厚度來實現的
- 鈍化： 它是一種化學處理，可去除表面污染物，保持氧化層不受腐蝕。
- 粉末塗料：將粉末（通常是聚合物）塗覆並烘烤到鈦表面上，形成耐用、耐腐蝕的塗層。
- 表面硬化： 這是一種熱處理工藝，可硬化金屬表面，同時保持內核更柔軟、更具延展性。這是透過滲碳或氮化將碳或氮引入表面來完成的。
- 珠噴砂： 一種表面精加工技術，使用細磨粒清潔和平滑鈦表面，形成均勻的霧面效果。
CNC加工鈦零件的應用
鈦獨特的性能組合使其成為各行業的首選材料：
醫療行業
鈦的生物相容性使其成為植入物的理想選擇 關節置換術 和牙科植體，它必須與人體組織共存而不引起排斥。
航太
其高強度重量比在下列方面具有無價的價值： 航天，其中 飛機發動機和緊固件 必須承受極端的壓力，同時有助於減輕整體重量以提高燃油效率。
軍事應用
耐腐蝕性和強度使其成為軍事應用的關鍵材料，特別是 裝甲車和海軍艦艇部件。其耐受惡劣條件的能力進一步保證了關鍵操作的可靠性。
海洋產業
海洋領域受益於鈦的耐鹽水腐蝕性能。它非常適合製作 螺旋槳軸, 船體配件，以及經常暴露在惡劣環境中的水下連接器。
化學加工
由於大多數鈦合金都耐腐蝕，因此它們很容易面對腐蝕性化學環境。這使得它適用於化學加工設備，例如 儲罐 和熱交換器，其中穩定性和強度至關重要。
電力和能源
在發電中，鈦被用於 渦輪葉片 以及其他需要耐高溫、耐腐蝕的零件。
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