Co je titan?
Titan, označovaný chemickou značkou Ti a atomovým číslem 22, je lesklý přechodný kov proslulý svým výjimečným poměrem pevnosti a hmotnosti, odolností proti korozi a biokompatibilitou. Titan, který byl objeven koncem 18. století, se stal nepostradatelným v různých průmyslových odvětvích, včetně leteckého, lékařského, automobilového a námořního průmyslu.
Jaké jsou různé třídy titanu pro CNC obrábění?
Titan je univerzální kov, který se díky svým jedinečným vlastnostem běžně používá při obrábění na CNC. K dispozici je několik druhů titanu, z nichž každý má jedinečné vlastnosti, díky nimž je vhodný pro různá použití. Níže jsou podrobně popsány třídy titanu, které se obvykle používají při CNC obrábění.
Třída 1: komerčně čistý titan (nízký obsah kyslíku)
Titan třídy 1 je nejměkčí a nejtažnější, takže se dá obrábět. Aplikace v náročných prostředích vyžadují silnou odolnost proti korozi a nárazuvzdornost. Tato biokompatibilní třída je díky své bezpečnosti upřednostňována v lékařských implantátech a zařízeních. Vysoce přesné a stabilní součásti těží z jeho nízkého koeficientu tepelné roztažnosti, který snižuje tepelné pnutí. Nízká pevnost omezuje jeho použití ve vysoce namáhaných aplikacích ve srovnání s jinými třídami.
Třída 2: komerčně čistý titan (standardní obsah kyslíku)
Titan třídy 2, někdy označovaný jako „pracovní kůň“, je pevný, tvárný a odolný proti korozi. Díky dobré obrobitelnosti a svařitelnosti je pevnější než třída 1. Je vhodný pro letecké a kosmické součásti, zařízení pro chemické zpracování a námořní prostředí. Díky své přizpůsobivosti je vhodný pro průmyslová odvětví, která potřebují střední pevnost a odolnost proti korozi. Třída 2 je navzdory svým výhodám slabší než slitiny titanu.
Třída 3: komerčně čistý titan (střední obsah kyslíku)
Titan třídy 3 má vyšší pevnost než třídy 1 a 2, ale nižší tažnost a tvařitelnost. Tato třída se používá v leteckých aplikacích, které vyžadují vyšší pevnost bez zvýšení hmotnosti, protože je odolná proti korozi. Její pevnost ztěžuje obrábění oproti měkčím třídám a vyžaduje pečlivou kontrolu, aby nedocházelo k opotřebení nástrojů.
Třída 4: komerčně čistý titan (vysoký obsah kyslíku)
Třída 4 je nejsilnější komerčně čistá titanová třída s výjimečnými korozními a mechanickými vlastnostmi. Používá se v leteckých součástech a chirurgických zařízeních, která vyžadují pevnost a dlouhou životnost. Vzhledem ke své tvrdosti vyžaduje obrábění titanu třídy 4 specializované vybavení a postupy, aby bylo dosaženo stanovených tolerancí bez opotřebení nástroje nebo deformace obrobku.
Třída 5: Slitina titanu (Ti-6Al-4V)
Titan třídy 5, Ti-6Al-4V, je oblíbená titanová slitina díky vysokému poměru pevnosti a hmotnosti a odolnosti proti korozi. Tato slitina obsahuje hliník a vanad, což zlepšuje její mechanické vlastnosti oproti čistému titanu. Používá se v leteckém a vojenském průmyslu a ve vysoce výkonných automobilových dílech. Obrábění třídy 5 je tvrdší a má tendenci se zpevňovat, proto je třeba pečlivě zvážit řezné rychlosti a výběr nástrojů.
Třída 6: Slitina titanu (Ti-5Al-2,5Sn)
Titan třídy 6 se skládá z hliníku a cínu, což zajišťuje dobrou svařitelnost a výkon při vysokých teplotách. Tato třída se často používá v konstrukcích draků letadel a proudových motorů, kde je tepelná odolnost rozhodující. I když má lepší mechanické vlastnosti než čisté třídy titanu, přetrvávají problémy s obráběním kvůli vyšší tvrdosti ve srovnání s třídami 1 a 2.
Třída 7: Slitina titanu (Ti-0,15Pd)
Do titanu třídy 7 se přidává palladium, díky čemuž je ještě odolnější vůči korozi než běžné komerčně čisté třídy. Díky tomu se obzvláště dobře osvědčuje při práci s chemickými látkami, které vyžadují vystavení drsným podmínkám. Díky svým speciálním vlastnostem se může používat v námořním prostředí a při výrobě chlorečnanů. Protože je však tvrdý, špatně se obrábí, stejně jako ostatní třídy titanu.
Třída 11: Slitina titanu (Ti-0,15Pd)
Slitina titanu třídy 11 je podobná slitině třídy 7, ale má zvýšenou tažnost, takže je vhodná pro použití v silně korozivním prostředí, jako je mořská voda. Zachovává si vysokou biokompatibilitu a zároveň poskytuje lepší mechanické vlastnosti vhodné pro různé průmyslové aplikace. Při obrábění této třídy vznikají podobné problémy jako u jiných slitin, které však lze vhodnými postupy zmírnit.
Třída 12: Slitina titanu (Ti-0,3Mo-0,8Ni)
Struktura třídy 12 obsahuje molybden a nikl, což má za následek výjimečnou svařitelnost a odolnost proti korozi. Tato třída se často používá ve výměnících tepla a námořních aplikacích, protože je schopna odolávat drsným podmínkám při zachování strukturální integrity. I když má oproti čistým titanovým třídám velké výhody, problémem zůstává složitost obrábění.
Třída 23: Slitina titanu (Ti-6Al-4V ELI)
Třída 23 je extra nízká mezibuněčná varianta třídy 5, vytvořená především pro lékařské aplikace, kde je biokompatibilita kritická. Její zdokonalené složení zajišťuje zvýšenou lomovou houževnatost při zachování vysoké pevnosti požadované pro chirurgické implantáty a zařízení. Kvůli svým jedinečným vlastnostem vyžaduje obrábění této třídy speciální pozornost, avšak konečným výsledkem jsou díly, které splňují vysoké lékařské standardy.
Proč zvolit titan pro CNC obrábění dílů?
Výběr titanu pro CNC obrábění dílů nabízí řadu výhod, díky nimž je titan oblíbeným materiálem v různých průmyslových odvětvích.
Výjimečný poměr pevnosti a hmotnosti
Titan je sice o 5 % slabší než ocel, ale má o 40 % nižší hmotnost. V leteckém a automobilovém průmyslu, kde je snížení hmotnosti rozhodující pro výkon a efektivitu, umožňuje tato vlastnost výrobcům vyvíjet lehké, ale pevné součásti. Schopnost zachovat vysokou pevnost při minimalizaci hmotnosti mění pravidla hry v odvětvích zaměřených na výkon.
Vysoká odolnost proti korozi
Titan je odolný proti korozi, zejména v extrémních situacích, jako je námořní a chemické zpracování. U součástí, které musí snášet náročné podmínky, odolává titan mořské vodě, kyselinám a dalším korozivním látkám, aniž by se zhoršil. To prodlužuje životnost dílů a snižuje náklady na údržbu.
Biokompatibilita
V lékařských implantátech a pomůckách se titan používá díky své biokompatibilitě. Chirurgické aplikace, jako jsou kloubní náhrady a zubní implantáty, jsou bezpečné, protože látka nereaguje s lidskou tkání. Ve zdravotnictví je díky své netoxičnosti vhodnější.
Trvanlivost a odolnost proti únavě
Odolnost titanu proti únavě a trvanlivost umožňují součástem přežít opakované zatížení bez poruchy. Letecké díly jsou cyklicky zatěžovány, a proto je tato vlastnost klíčová. Titanové součásti jsou spolehlivé v základních aplikacích, protože dobře fungují při zátěži.
Nemagnetické vlastnosti
Titan je užitečný také proto, že není magnetický, takže jej lze použít v místech, kde by magnetické rušení mohlo představovat problém. Tato vlastnost je velmi užitečná v lékařských zařízeních (jako jsou přístroje MRI) a elektronických přístrojích, které potřebují kontrolovat magnetické pole.
Obrobitelnost a tvarovatelnost
Výroba Ti je obtížná kvůli jeho omezené tepelné vodivosti a sklonu ke kalení, avšak CNC obrábění ji usnadnilo. Výrobci mohou využít zvláštních vlastností titanu pomocí CNC strojů k řezání a tolerování složité geometrie. Vhodné řezné nástroje, rychlosti a chladicí systémy mohou snížit akumulaci tepla při obrábění.
Udržitelnost životního prostředí
Titan je také velmi dobře recyklovatelný, což zvyšuje jeho atraktivitu jako ekologicky odpovědného materiálu. Schopnost recyklovat titan minimalizuje množství odpadu a zvyšuje udržitelnost výrobních operací.
Úkoly, které je třeba zvážit při obrábění titanu
Obrábění titanu zahrnuje různé překážky, které mohou bránit výrobnímu procesu. Pochopení těchto překážek je pro výrobu vysoce kvalitního CNC výstupu klíčové. Zde jsou hlavní problémy při obrábění titanu.
Hromadění tepla
Omezená tepelná vodivost titanu způsobuje, že se teplo při obrábění shromažďuje na rozhraní řezného nástroje a obrobku. Hromadění tepla může urychlit opotřebení nástroje, zkrátit jeho životnost a zhoršit kvalitu obrobeného povrchu. Teplo může titan zpevnit, což při nesprávném ošetření ztěžuje jeho opracování. Abyste se tomuto problému vyhnuli, používejte vysokotlaké chladicí systémy a optimalizujte posuvy a otáčky vřetena.
Vysoké řezné síly
Pro svou pevnost a tvrdost vyžadují titanové slitiny velké řezné síly. Vysoké síly mohou při obrábění způsobovat vibrace a průhyby, což vede k chybám výrobku a opotřebení nástroje. Obsluha strojů musí používat robustní upínání a ostré nástroje specifické pro titan, aby tento problém překonala.
Chemická reaktivita
Titan při vysokých teplotách chemicky reaguje. Tato reaktivita může způsobit oxidaci povrchu a zadírání, které přilepí materiál na řezný nástroj a poškodí jej. Kyslík křehne na slitině titanu, čímž se snižuje odolnost proti korozi. Používání správných řezných kapalin a obrábění při nižších teplotách může tyto vlivy omezit.
Elastická deformace
Titan se při řezných silách deformuje kvůli nižšímu modulu pružnosti než ocel. To může způsobit, že se štíhlé předměty při obrábění ohýbají nebo deformují, což vede k netolerantním rozměrům. Tento problém vyřešíte použitím tuhého upnutí obrobku a řezných parametrů, které minimalizují průhyb.
Built-Up Edge (BUE)
Při obrábění titanu často dochází k nánosům řezného nástroje. Třísky na břitu nástroje jej otupují a vytvářejí teplo. Prevence BUE a optimalizace řezných podmínek vyžaduje řešení pro odvod třísek, jako je aplikace vysokotlaké chladicí kapaliny přímo na řeznou hranu.
Řízení čipů
Dlouhé a tenké titanové třísky se mohou obtáčet kolem strojů nebo poškozovat obrobené povrchy, pokud nejsou správně kontrolovány. Tyto třísky brání přenosu tepla z pracovní zóny, čímž zhoršují hromadění tepla. Aby se zvýšila kontrola třísek a zabránilo se jejich poškození, musí obráběči vyvinout nástroje a postupy obrábění, které podporují tvorbu kratších třísek.
Ostatní napětí
Krystalová struktura titanu a jeho pracovní kalení mohou při obrábění způsobit zbytkové napětí. Nezvládnutí těchto pnutí může způsobit deformaci nebo zlomení hotového výrobku. Pomoci může použití obráběcích technik, které se těmto napětím přizpůsobí, například hlubší řezy.
Tipy pro CNC obrábění titanu
Přestože je práce s titanem velmi obtížná, stále existuje mnoho průmyslových odvětví a konstruktérů, protože má mnoho výhod.Na základě našich dlouholetých zkušeností s obráběním titanu jsme shrnuli následující poznatky.
Vyberte vhodné řezné nástroje
Pro zvýšení tepelné odolnosti a snížení opotřebení nástrojů používejte nástroje speciálně určené pro titan, například s povlaky TiCN nebo TiAlN.
Optimalizace řezných parametrů
Používejte nižší otáčky vřetena ve spojení se zvýšenými rychlostmi posuvu, abyste snížili tvorbu tepla a zabránili kalení obrobku. Tato strategie podporuje integritu nástroje a prodlužuje jeho životnost.
Zajistěte tuhost nastavení
Obrobek pevně zajistěte a používejte robustní nástrojové sestavy, abyste omezili vibrace a průhyby, které mohou zhoršit lesk povrchu a rozměrovou přesnost.
Využívejte vysokotlaké chladicí systémy.
Použijte vysokotlakou chladicí kapalinu přímo v řezné zóně, abyste účinně odváděli teplo, snížili tepelné poškození a zvýšili odvod třísek.
Povrchová úprava obráběných titanových dílů
Obráběné titanové součásti mohou mít velký užitek z různých procesů povrchové úpravy, které zlepšují praktické i estetické vlastnosti. Zde jsou uvedeny některé z nejčastějších povrchových úprav používaných na titanu.
Leštění
Leštěním vzniká hladký, reflexní povrch, který zvyšuje estetický vzhled titanových součástí. Tato metoda je velmi výhodná v aplikacích, kde je důležitý vzhled, například u šperků a špičkových leteckých dílů.
Anodování
Eloxování je elektrochemická technika, při níž se na povrch titanu nanese ochranný oxidový povlak. To zvyšuje odolnost proti korozi a zároveň umožňuje přizpůsobení barvy, což je užitečné pro lékařské přístroje a spotřební výrobky.
Odstřelování kuliček
Tryskáním nebo pískováním se na titanových površích vytvoří drsný matný povrch. Tento postup se často používá pro své estetické výhody, které mohou pomoci zvýšit odolnost proti poškrábání.
PVD povlak (fyzikální napařování)
Povlaky PVD, včetně nitridu titanu (TiN), zvyšují tvrdost a odolnost proti opotřebení. Tato metoda zahrnuje nanesení tenké vrstvy materiálu na povrch titanu, což může zlepšit výkon v náročných podmínkách.
Elektroleštění
Elektropolirování zvyšuje kvalitu povrchu tím, že odstraňuje malou vrstvu materiálu a zanechává jej čistý a lesklý. Tento postup také snižuje mikrodrsnost a zvyšuje odolnost proti korozi.
Práškový nátěr
Práškové lakování vytváří dlouhotrvající povrchovou úpravu, kterou lze nanášet v různých odstínech. Je velmi užitečná pro zlepšení vzhledu a odolnosti proti korozi titanových dílů používaných ve venkovních aplikacích.
Chroming
Chromováním se na titanové díly nanáší vrstva chromu, aby byly odolnější proti korozi a získaly lesklý povrch. Tento proces se často používá k povrchové úpravě automobilů a výrobě ozdob.
Brushing
Kartáčování titanových dílů jim dodává jedinečný vzhled a pomáhá skrýt škrábance a opotřebení v průběhu času tím, že na povrchu vzniká lineární vzor.
Malování
Lakování titanových povrchů je snadný způsob, jak jim dodat barvu a chránit je před poškozením. Obvykle se používá na vzhled a k jejímu nanášení lze použít různé techniky podle požadované povrchové úpravy.
Aplikace obráběných dílů z titanu
Díky vysokému poměru pevnosti a hmotnosti, odolnosti proti korozi a biokompatibilitě jsou titanové obráběné díly nezbytné pro mnoho podniků. Lze je použít v řadě oblastí.
Letecký a kosmický průmysl
Titan se používá v letadlech pro důležité součásti, jako jsou lopatky kompresoru, disky, konstrukce draku a podvozky, protože je pevný, ale ne příliš těžký. Aby letadla dobře fungovala a dlouho vydržela, musí být schopen odolávat vysokým teplotám a korozi.
Medicínské a zubní obory
Titan je oblíbeným materiálem pro lékařské implantáty, jako jsou zubní implantáty, kloubní náhrady a chirurgické nástroje, protože je biokompatibilní a nereaguje s tělesnými tekutinami. Jeho použití snižuje pravděpodobnost odmítnutí a zajišťuje, že v těle vydrží.
Automobilový průmysl
Obráběné díly z titanu se používají pro součásti motorů, jako jsou ventily a ojnice, a také pro výfukové systémy ve vysoce výkonných a drahých automobilech. Pevnost a lehkost materiálu pomáhají lepšímu chodu vozu a nižší spotřebě paliva. (zdroj Wikipedie)
Morské aplikace
Titan je vhodný kov pro lodní převody, hřídele lodních šroubů a další díly, které budou vystaveny drsným mořským podmínkám, protože nerezaví. Díky tomu je spolehlivý a má dlouhou životnost (zdroj Wikipedie).
Průmyslové využití
Obráběné díly z titanu se používají ve výměnících tepla, ventilech a reaktorech v chemickém průmyslu a při výrobě energie, protože jsou schopny odolávat korozivnímu prostředí a vysokým teplotám, což zajišťuje bezpečnost a efektivitu provozu (zdroj Wikipedie).
FAQS
Srovnání s jinými materiály
S Ti se pracuje hůře než s jinými materiály, protože špatně vede teplo, je velmi pevný a má tendenci tvrdnout, což znamená, že potřebujete speciální nástroje a metody.
Proč se titan špatně obrábí?
Nedostatečná tepelná vodivost ztěžuje práci s titanem, protože se snadno zahřívá.
Jaké řezné nástroje jsou nejlepší pro titan?
Pokud jde o řezání titanu, nejlépe se osvědčují karbidové nástroje se špičkovými povrchovými úpravami, jako je TiAlN nebo TiCN. Tyto nástroje mají dlouhou životnost a pomáhají udržovat nízké teplo během procesu řezání.
Jaké obráběcí procesy se běžně používají pro titan?
Frézování, řezání, vrtání a broušení jsou běžné způsoby práce s titanem. Aby bylo možné dosáhnout kvalitního obrábění a zároveň udržet teplo a opotřebení nástroje na minimu, je třeba u každého procesu pečlivě kontrolovat nastavení řezu.
Závěr
Když se v těchto věcech zdokonalíte, stane se CNC obrábění titanu praktickou a efektivní metodou pro výrobu dlouhotrvajících a přesných dílů pro letecký, lékařský a automobilový průmysl.
