Titanium CNC verspanen: Een complete gids voor legeringen, toepassingen en best practices

Titanium staat bekend om zijn indrukwekkende sterkte-gewichtsverhouding. CNC-verspaning beschouwt sterkte en duurzaamheid als eigenschappen. Fabrikanten richten zich op duurzaamheid, dus een lange levensduur. De unieke eigenschappen maken het zeer gewild in verschillende industrieën. Onderdelen gemaakt van titanium worden veel gebruikt in de ruimtevaart, het leger en de geneeskunde. Het succes van CNC verspanen hangt af van de selectie van de benodigde materialen voor het gebruik ervan.

Gemeenschappelijke titaniumlegering voor CNC-verspaning

Titanium is op verschillende niveaus van vitaal belang in CNC. Titaanlegeringen worden onderverdeeld in bèta-, alfa- en alfa-bètagroepen. Elke groep heeft unieke eigenschappen die geschikt zijn voor specifieke toepassingen.

1. Titaan graad 5 (Ti -6AI-AV)

Kenmerken

Grade 5, known as Ti-6AI-4V, is a common titanium alloy. It comprises 4 percent vanadium, 6 percent aluminum, and 90 percent titanium. It is essential in parts that require strength, low weight, and a high level of corrosion. The Ti-6Al-4V alloy is highly suitable because it responds excellently to metal heat treatment. Through proper thermal processing, manufacturers can significantly enhance its mechanical properties for the most demanding aerospace operations.

Toepassingen

Grade 5 titanium speelt een centrale rol in verschillende hoogwaardige toepassingen.

• Ruimtevaart: Het is cruciaal bij de productie van vliegtuigromponderdelen, turbinebladen en vleugels. Het materiaal moet het gewicht verminderen met behoud van sterkte en duurzaamheid.
• Medische implantaten: Ti-6Al-4V wordt veel gebruikt bij de productie van tandheelkundige implantaten, heupprothesen en protheses.
• Marine: De Ti-6AI-4AV is van vitaal belang bij de productie van producten die goed bestand zijn tegen zout water. Voor mariniers is het toepasbaar in de materiaal-tot-productie-omgevingen. Veel voorkomende producten zijn bevestigingsmiddelen en propellers.
• Automobiel: De Ti-6AI-4V is belangrijk bij de productie van auto-onderdelen. Essentiële onderdelen zijn de motoronderdelen en andere systemen die uitgeput lijken.

Bewerkingsoverwegingen voor graad 5 titanium

Titaanlegeringen, vooral graad 5, kunnen uitdagingen bieden bij het verspanen. De hoge treksterkte van titanium brengt bewerkingsproblemen en warmteontwikkeling tijdens het bewerken met zich mee. Precisie is nodig om gereedschapsslijtage en oververhitting te voorkomen. Snijgereedschappen van hoge kwaliteit, een lage snijbehoefte en voldoende koeling zijn belangrijk om de bestaande integriteit van het materiaal niet aan te tasten.

Wanneer moet je graad 5 titanium kiezen?

Grade 5 is de meest effectieve materiaalkeuze voor fabrikanten die precisie, lichtgewicht en sterkte nodig hebben. Het is ook ideaal voor onderdelen met een hoge corrosiebestendigheid. Het is geschikt voor prestaties in medische en maritieme omgevingen. Een belangrijke eigenschap is de behoefte aan sterkte en duurzaamheid.

2. Titaan graad 2

Kenmerken

Grade 2 titanium is widely used like pure Titanium (CP titanium). It is typical of unalloyed titanium. It provides effective corrosion resistance and offers effective formability. Therefore, it is important to manufacture parts that undergo exposure to harsh chemicals and salt water. Nevertheless, Grade 2 possesses a lower mechanical strength profile. It typically exhibits a minimum yield strength of 275 MPa, which is substantially lower than the 828 MPa minimum yield strength of Grade 5 ^[1]. Consequently, Grade 2 is prioritized for extreme corrosion resistance rather than high-stress load-bearing applications.

Toepassingen

• Apparatuur voor chemische verwerking: The industry relies heavily on this grade to construct reactors, tanks, and heat exchangers. It is also an excellent material choice for precision industrial components, perfectly demonstrated in the production of custom titanium shims used to ensure precise spacing in corrosive heavy machinery.
• Maritieme hardware: Belangrijke onderdelen en producten in de productie van hardware voor de scheepvaart zijn onder andere bevestigingsmiddelen, bootkogels en propellers.

Bewerkingsoverwegingen voor graad 2 titanium

Titaan van graad 2 is licht van gewicht en daardoor makkelijker te bewerken dan titaan van graad 5. De taaiheid zorgt echter voor uitdagingen. De taaiheid vormt echter een uitdaging. Er is een effectieve snijsnelheid nodig. Het is niet gevoelig voor werkharding zoals andere legeringen. Bovendien is smering essentieel om slijtage te voorkomen.

Wanneer Titanium graad 2 kiezen?

 Fabrikanten en gebruikers hanteren verschillende benaderingen bij het kiezen van de beste materialen voor productie. Titaan graad 2 wordt zeer gewaardeerd om zijn uitzonderlijke corrosiebestendigheid. Deze weerstand omvat chemische verwerking en mariene omgevingen. De hoge sterkte is echter minder een punt van zorg.

3. Titaan graad 23 (Ti-6Al-4V ELI)

Kenmerken

Grade 23 titanium is commonly is Ti-6AI-4V ELI, representing Extra low interstitial. As an Extra Low Interstitial (ELI) alloy, it is specifically refined to contain a maximum oxygen content of strictly 0.13%, compared to the 0.20% allowable in standard Grade 5 ^[2]. This precise reduction in interstitial elements is highly effective in enhancing the material’s overall ductility and fracture toughness. It also indicates fracture toughness and decreased risk of brittleness. Its uses are when an extremely high strength–to–weight ratio exists.

Toepassingen

• Ruimtevaart: Grade 23 speelt een belangrijke rol in de productie van vliegtuigonderdelen, waaronder vleugels.
• Medisch: In the medical sector, Grade 23 is the gold standard for biocompatibility. It is extensively utilized by engineers navigating strict medical metal selection criteria to produce complex orthopedic implants and dental devices.
• Marine en defensie: Grade 2 is ook een belangrijke fabrikant van onderdelen die sterkte en biocompatibiliteit bieden.

Bewerkingsoverwegingen voor graad 23 titanium

Compared to standard Grade 5, machining Grade 23 (ELI) demands even stricter control over cutting speeds, cooling, and tool material selection to preserve its specialized microstructure.

Wanneer kies je voor graad 23 titanium?

De keuze voor titanium graad 23 hangt af van het hoge prestatieniveau. Dit komt ook door het grote aantal vermoeide toepassingen in de medische en luchtvaartindustrie. Het is een taai, vermoeiingsbestendig materiaal met een laag gewicht.

4. Titaan graad 9 (Ti-3Al-2,5V)

Kenmerken

Grade 9 is een alfa-bèta titaniumlegering met 2,5 procent vanadium en 3 procent aluminium. Het biedt een balans in vervormbaarheid, sterkte en corrosiebestendigheid. Het lichtere gewicht in vergelijking met graad 5 maakt het geschikter voor bepaalde toepassingen. Ondanks het gewicht kan het een hoge sterkte behouden.

Toepassingen

• Onderdelen voor de ruimtevaart: Grade 9 titanium wordt vaak gekozen voor ruimtevaartonderdelen zoals vleugels en landingsgestellen.
• Sportuitrusting: Grade 9 materiaal is beter voor lichtgewicht onderdelen zoals raceonderdelen.
• Automobiel: De lichtgewicht prestaties zijn onmisbaar voor fietsframes en andere producten op sportgebied.

Bewerkingsoverwegingen voor graad 9 titanium

Graad 9 is eenvoudiger te bewerken dan graad 23 en 5. Toch kun je een beter onderdeel maken door de snijsnelheden nauwkeurig te regelen. Ook smering en gereedschapsmaterialen spelen een rol. Het doel is om een afwerking van hoge kwaliteit te bereiken met minimale slijtage van het gereedschap.

Wanneer kiezen voor graad 9 titanium

Grade 9 is goed voor vervormbare, lichtgewicht en stevige onderdelen. Het is geschikt voor de auto- en luchtvaartindustrie en -toepassingen.

CNC-bewerkingsproces voor titanium

Het CNC bewerken van titaanlegeringen vereist het naleven van vaste specificaties. De specifieke processtromen zijn belangrijk voor de onderscheidende eigenschappen van de legering. Het proces bestaat uit verschillende stappen die voldoen aan alle vereisten voor optimale resultaten;

1. Materiaalkeuze: De keuze voor de beste titaniumlegering moet afhangen van de corrosiebestendigheid en sterkte. Het moet zich ook richten op de weerstand tegen vermoeidheid.
2. Ontwerpen en programmeren: Een CAD-model van het onderdeel ontwikkelen en omzetten in het CNC-programma. Het programma zorgt ervoor dat de bewerking de ingestelde bewerkings- en snijspecificaties volgt.
3. Gereedschap selecteren en instellen: De titaniumlegering vereist zeer gespecialiseerde snijgereedschappen, die gemaakt moeten zijn van keramiek of hardmetaal. Het doel is om snijkrachten van hoog niveau uit te oefenen. Ze moeten ook bestand zijn tegen de hardheid van het materiaal, vandaar de effectiviteit van het ontwerpproces. De gereedschapsselectie is altijd in lijn met de rol van het onderdeel.
4. Bewerkingen: Verspanende bewerkingen vereisen ruw snijden, boren en nabewerken. De hittegevoeligheid van titanium maakt het beheren van snijsnelheden noodzakelijk. Het proces vereist ook voldoende koelvloeistof om de hoge mate van oververhitting te overwinnen.
5. Inspecties: At the end of machining, parts need to be inspected. The objective is to achieve high dimensional accuracy. Another objective is to attain a surface finish. As titanium exhibits a low rate of thermal conductivity, preventing material warping is absolutely critical. The aim is to achieve constant-level monitoring.
6. Post-processing: Post-process treatments like coating and anodiseren are essential for increasing material properties. The treatment’s application depends on the parts’ applications. The application of these treatments is highly dependent on the part’s final environment. Ultimately, the correct surface finishing for CNC machined parts aims to improve overall corrosion resistance and enhance aesthetic properties.

Titanium vs. andere metalen bij CNC-verspaning

Verhouding sterkte/gewicht

Titanium is highly valued in CNC machining due to its strength-to-weight ratio. It is, therefore, necessary for operations that depend on materials’ lightweight and durability properties. Titanium also upholds traits comparable to and superior to those of steel. It is, therefore, effective in applications including implants, aerospace and automotive. While it is denser than aluminum, titanium possesses significantly higher tensile strength and fatigue resistance, making it the superior choice for high-stress components where aluminum would fail. Consequently, it provides a distinctive, unique balance that enhances the integrity of structures and prevents unnecessary weight. The property makes titanium important in manufacturing aircraft frames and high-performing gadgets in sporting activities.

Daarnaast is het belangrijk voor de onderdelen van ruimtevaartuigen. Een belangrijke eigenschap waar fabrikanten zich op richten is het verminderen van gewicht, wat cruciaal is voor prestaties en efficiëntie. De voordelen liggen dus op de lange termijn. De resultaten op lange termijn zijn kosteneffectief. Het is een betere keuze voor de automobielindustrie, die meer efficiëntie en effectiviteit mogelijk maakt. De combinatie van een laag gewicht en een hoge sterkte is belangrijk voor titanium en de fabrikanten ervan. Het doel is om hoogwaardige en geavanceerde structuren te ontwerpen die bestand zijn tegen extreme omstandigheden. Het onderdeel zou effectief zijn in alle weersomstandigheden.

Corrosiebestendigheid

A valuable property of titanium is its corrosion resistance. Titanium’s resistance to corrosion is better than that of aluminum. Under oxygen exposure, titanium instantly develops a passive oxide layer on its surface. This chemical reaction acts as an impenetrable barrier against environmental damage, effectively stopping further corrosion, oxidation, and rust even in harsh acidic or saltwater conditions. The natural resistance makes titanium a better choice for parts applicable to areas with acid, saltwater, and industrial chemicals.

Bovendien is het geschikt voor maritieme omgevingen waar producten hun oorspronkelijke sterkte behouden zonder corrosie te ondergaan. De beschermende coatings zijn belangrijk, vooral voor scheepsonderdelen, offshore boorapparatuur en ontziltingsinstallaties. Aluminium is ook bestand tegen corrosie. Het heeft echter te lijden van pitting en oxidatie onder extreme omstandigheden gedurende lange perioden. Het vermogen van titanium om extreme omstandigheden te weerstaan is ook belangrijk in de medische praktijk. De biocompatibiliteit en weerstand tegen vocht en lichaamsvloeistoffen maken het de beste keuze voor gewrichtsprothesen - andere gebieden zijn chirurgische instrumenten en tandheelkundige implantaten. Het doel is om langdurige prestaties te bereiken in belangrijke toepassingen.

Bewerkbaarheid

Titanium presents unique challenges in the machining process. The unique physical properties of titanium present distinct challenges during the cutting process. Specifically, titanium possesses an extremely low thermal conductivity of approximately 6.7 W/m·K, which is only a small fraction compared to steel and aluminum ^[3]. Consequently, up to 80% of the heat generated during machining does not dissipate through the chip, but instead concentrates directly at the cutting tool edge. The outcomes of such a process are high rates of wear and tear. It also leads to high workplace damage when there is poor management. The specialized cutting tools, coolants, and slower machining prevent overheating and aid in precision maintenance. Titanium needs effective care to prevent excessive tool wear. Aluminum, on the other hand, is highly machinable and enables fast cutting speeds.

Aan de andere kant is staal stijver dan aluminium, maar effectiever voor machinale bewerking dan titanium. Staal voert warmte effectiever af. Ondanks de uitdagingen is het een gereedschap dat toepasbaar is in hoogwaardige industrieën vanwege de onderscheidende kwaliteiten. Moderne bewerkingstechnieken, waaronder laserbewerking en straalsnijden, zijn belangrijk voor het verbeteren van de bewerkingsefficiëntie van titaanlegeringen.

Bewerkingstoleranties van titanium profielen

Titaanlegeringen zijn belangrijk vanwege hun corrosiebestendigheid, hoge sterkte en lichte gewicht. Het materiaal is ideaal en wordt daarom veel gebruikt voor de productie van onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en voor militaire en medische doeleinden. Toch hebben de bestaande eigenschappen nadelen waardoor ze niet effectief geschikt zijn als beter gereedschap voor het machinale bewerkingsproces. Titaanlegeringen vereisen strakke machinetoleranties om te voldoen aan de specificaties van afgewerkte onderdelen.

De tolerantie varieert afhankelijk van het type titaanlegering in het bewerkingsproces. Het hangt ook af van de specifieke vereisten van de toepassing. Voor standaardbewerking variëren titaanprofielen van ±0.002 inch tot ±0.010 inches. Dit betekent dat het al nauwkeuriger is dan andere materialen. Voor onderdelen die hoge spanningen en temperatuurbeheer vereisen, is een nauwe tolerantie van ±0,001 inch belangrijk. Deze toepassingen komen vaker voor bij fabrikanten van lucht- en ruimtevaart en militaire onderdelen. Om zulke nauwe toleranties in titanium te bereiken zijn betere CNC machines nodig. Er zijn ook effectieve controlebewerkingen en gespecialiseerde gereedschappen nodig om fouten te voorkomen en specificaties na te leven.

Conclusie

De sterkte van titanium en zijn corrosiebestendigheid maken het een belangrijk materiaal voor CNC-verspaning. Het is ook een lichtgewicht materiaal dat effectief is voor militaire en medische operaties. De titaanlegeringen voor machinale bewerking hebben technische problemen vanwege de lagere hardheid en de neiging tot opwarmen. De resultaten zijn duidelijk zichtbaar in de hoge mate van slijtage. De eigenschappen van titanium betekenen daarom dat de legering belangrijk is in specifieke gebruiksgebieden. Het kan ook enorme verbeteringen ondergaan om aan specifieke eisen te voldoen met behulp van de benodigde technieken voor bepaalde industrieën.

Tips: Meer informatie over de andere metaalbewerkingsprocessen

Referentie

[1] ASTM International. (2020). ASTM B265-20a Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate. https://doi.org/10.1520/B0265-20A

[2] ASTM International. (2013). ASTM F136-13 Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) Alloy for Surgical Implant Applications. https://doi.org/10.1520/F0136-13

[3] Ezugwu, E. O., & Wang, Z. M. (1997). Titanium alloys and their machinability—a review. Journal of Materials Processing Technology, 68(3), 262-274. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)00030-1