チタン合金加工ガイド

チタンと合金は、そのユニークな特性を利用して、航空宇宙および生物医学分野でますます広く使用されています。この人気のある金属は、防錆効果と耐薬品効果があり、リサイクルが可能で、軽量、高強度、優れた耐食性を備えているため、多くのエンジニアリングの問題を解決します。チタン部品は長持ちし、他の金属や素材よりも優れた性能と結果を提供します.

チタンはスチールよりも 30% 高いですが、スチールよりも約 50% 軽量です。チタンはアルミニウムより60％重いですが、強度はアルミニウムの2倍です。ただし、チタン合金を加工し、適切なツールとパラメーターを選択する場合、いくつかの課題を考慮する必要があります。

ここでは、チタンの機械加工、チタンの加工が非常に難しい理由を深く理解し、チタン加工の成功率を向上させるための技術的な洞察とヒントを提供し、その利点と応用についても説明します。

チタン加工 品種

チタン合金には多くのグレードと種類があり、100種類以上あります。各合金には、独自の特性と特性があります。業界では 40 ～ 50 種類が利用可能で、10 種類以上が最も一般的に使用されています。 Ti-6AL-4V、Ti-5AL-2.5Sn、TI-2AL-1.5Mn、Ti-3AL-2.5V、Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Moなどの工業用純チタンと厳選されたチタン合金のさまざまなテイストを含む、Ti-6AL-2Sn-4Zr-6Mo、および Ti-10V-2Fe-3AL および Ti-0.20Pd、T-0.3Mo-0.8N など。ただし、ほとんどの国では、最初の 2 つの重要な合金 (Ti-6Al -4V、Ti-5A-2.5Sn) が最も代表的であり、世界でも認められています。

チタン合金は組織分類により、α合金、(α+β)合金、β合金の3つに分類されます。

αチタン合金

α相固溶体からなる単相合金です。常温、実用温度を問わずα相であり、構造が安定しており、純チタンよりも耐摩耗性が高く、耐酸化性に優れています。 500°C から 600°C の温度では、強度と耐クリープ性は維持されますが、熱処理によって強化することはできず、室温強度は高くありません。

βチタン合金

β相固溶体からなる単相合金です。熱処理なしで高強度です。焼き入れと時効の後、合金はさらに強化されます。室温強度は 1372 ~ 1666 MPa に達します。ただし、熱安定性が低く、高温での使用には適していません。

α+βチタン合金

これは、優れた総合特性、優れた構造安定性、優れた靭性、可塑性、および高温変形特性を備えた二相合金であり、熱間圧力処理をうまく実行でき、合金を強化するために急冷および時効することができます。熱処理後の強度は、アニールされた状態よりも約 50% ～ 100% 高くなります。高温強度が高く、400℃～500℃の温度で長時間使用でき、熱安定性はαチタン合金に次ぐ。

3つのチタン合金の中で最も一般的に使用されているのは、αチタン合金とα+βチタン合金です。 αチタン合金が最も被削性が良く、次にα+βチタン合金が続き、βチタン合金が最悪です。

なぜチタンは難しいのか 機械加工?

チタンの物理現象 機械加工

チタン合金の加工時の切削力は、同じ硬度の鋼よりもわずかに高いだけですが、チタン合金の加工の物理現象は、鋼の加工よりもはるかに複雑であり、チタン合金の加工は非常に困難です。

ほとんどのチタン合金の熱伝導率は非常に低く、スチールのわずか 1/7、アルミニウムの 1/16 です。したがって、チタン合金を切断するプロセスで発生する熱は、ワークピースにすぐに伝達されたり、切りくずによって奪われたりするのではなく、切断領域に集中します。発生する温度は 1,000 ℃ にも達する可能性があり、工具の刃先が急速に摩耗し、亀裂が生じ、構成刃先が生成され、摩耗したブレードがすぐに現れ、切削領域でより多くの熱が発生し、さらに寿命が短くなります。

切削プロセスで発生する高温は、チタン合金部品の表面の完全性も破壊し、部品の幾何学的精度の低下と、疲労強度を大幅に低下させる加工硬化現象を引き起こします。

チタン合金の弾性は、部品の性能に有益な場合がありますが、切削加工では、ワークの弾性変形が振動の重要な原因となります。切削圧力により、「弾性のある」加工物が工具から離れて跳ね返り、工具と加工物間の摩擦が切削動作よりも大きくなります。摩擦プロセスも熱を発生させ、チタン合金の熱伝導率の低さを悪化させます。

チタン合金の難加工の「犯人」は「熱」！

チタン加工を改善するには?

チタン合金の加工メカニズムの理解とこれまでの経験に基づいて、チタン合金を加工するための主な技術的ノウハウは次のとおりです。

より多くのクーラント

チタンは絶縁体であるため、切削加工中に発生する熱は切削工具の近くに留まる傾向があります。過剰な熱に対処する明白な方法の 1 つは、冷却剤を追加することです。作業領域とツールは、高圧によって供給される 10% 濃縮クーラントでサンドブラスト処理され、接触領域が低温に保たれ、すべての熱を運ぶチップが洗い流されるようになっています。

高圧クーラント

旋削加工では、クーラントの位置と圧力が重要です。適切な塗布により、より高い表面速度と金属除去率を実現できます。唯一の欠点は、下にある材料が部品の表面に再堆積することです。これは、切削戦略を計画し、最終仕上げのクーラント圧を下げることで克服できます。

コンスタント フィード

チタンは加工硬化が容易です。つまり、材料を切削すると、チタンは硬くなり、工具の摩耗が多くなります。一定の送りにより、加工硬化材料を最小限に抑えることができます。

送り速度を上げる

機械が許容する場合、送り速度を上げると、工具が特定の領域に留まる時間が短くなるため、熱の蓄積と加工硬化が工具の刃先に影響を与える時間がなくなります。

ツール している

PVDコーティングされた超硬チップは、チタンの切削に最適な工具です。 TiAIN (チタン アルミニウム ナイトライド) などの新しい、より高度なツール コーティングも提供できます。チタンは伸縮性のある素材なので、この鋭利な工具は絶対に必要です。鈍いツールは表面を拭き取り、ジッターを引き起こします。

チップ コントロール

チタンは長い切りくずを生成し、工具を損傷しやすく、ワークピースの表面に跡を残す可能性があります。さらに、長くて薄い切りくずは、作業領域から熱を逃がすのに役立たないため、理想的ではありません。したがって、チタンを加工する場合、理想的なツールとツール パスは、より小さく厚いチップを作成するのに理想的です。

ツール パス

チタンを加工する際に適切なツール パスを選択することは、適切なツールを選択することと同じくらい重要です。チタンを加工する場合、ツールパスが常にワークピースと噛み合っていることを確認することが絶対に必要です。溝を切削する場合、サイクロイド パターンと組み合わされたツール パスにより、溝が材料と噛み合う時間が短縮され、熱の蓄積を制限するのに役立ちます。切削工具を工作物に出し入れすることで、工具に重大な損傷を与える可能性のある衝撃や突然の動きを減らすことができます。

工作機械

チタンの加工を成功させるには、堅牢な工作機械が不可欠です。理想的なチタン フライス盤は剛性が高く、スピンドルは低いスピンドル速度と高いトルクで動作できなければなりません。これにより、振動を吸収し、チタン合金の加工時によくある問題である切削中のビビリを低減します。

チタン加工のメリットとデメリット

チタン合金は、軽量、高強度、優れた耐食性などの利点があるため、自動車業界で広く使用されています。最も使用されているチタン合金は、自動車のエンジン システムです。チタン合金の密度が低いため、可動部品の慣性質量を減らすことができます。同時に、チタン バルブ スプリングは自由振動を増加させ、車体の振動を低減し、エンジン回転数と出力パワーを増加させることができます。

チタン合金を選択すると、関連部品の負荷応力が軽減され、部品のサイズが小さくなり、エンジンと車両全体の品質が低下する可能性があります。部品の慣性質量の低減により、振動や騒音が低減し、エンジンのパフォーマンスが向上します。チタン合金を他の部品に適用することで、乗員の快適性と車の美しさを向上させることができます。自動車産業の応用において、チタン合金はエネルギーの節約と消費の削減において計り知れない役割を果たしてきました.

高い耐食性、優れた生体適合性、およびすべての金属の中で最高の強度対重量比。これらの特性により、チタン合金は航空宇宙産業や医療産業で特に人気のある素材となっています。

チタンは他の元素との親和性が高いため、天然には存在しないため、精製には複雑でエネルギーを消費するプロセスが必要です。これは、チタン合金の価格が、金属の最初の製錬であろうとその後の処理であろうと、他の金属よりもはるかに高いことを意味します.

チタンのもう 1 つの大きな欠点は、機械加工プロセスにおける技術的な難しさです。

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