チタンのマスター CNC 加工:ヒント、課題、材料グレード

チタンは優れた CNC 加工素材です。高温に耐えることができ、化学腐食にも耐性があります。さらに、軽量でありながら他のいくつかの特性を備えているため、メーカーにとってユニークで望ましいものとなっています。

CNC 加工されたチタン部品は非常に耐久性がありますが、引張強度が高いため、チタンを機械加工するのは困難な場合があります。この記事では、チタンの CNC 加工、チタンの加工に適した切削工具の選び方、加工を確実に成功させるための役立つヒントについて、優れた情報を提供します。

CNC 機械加工部品にチタンを選択する理由

製造材料としての CNC チタンの主な利点には、優れた生体適合性、高度な耐食性、あらゆる金属の中で最高の強度対重量比が含まれます。この金属は、優れた延性と良好な機械加工性も備えています。 CNC 機械加工部品にチタンを選択するその他の理由は次のとおりです。

• 耐久性:チタンは耐久性に優れており、過酷なまたは極端な作業条件にさらされる CNC 機械加工パーツの製造に最適です。
• 非磁性:この金属には磁気特性がありません。また、優れた耐酸化性を備えているため、腐食力にも耐性があります。
• 非毒性:チタンは耐食性があり、高い生体適合性と非毒性特性を備えているため、医療業界での使用に最適です。

チタンのこれらの特性により、チタンは航空宇宙、医療、自動車産業などのさまざまな産業で応用されています。

チタンを加工する際に考慮すべき課題

CNC チタンは多くの用途に最適な素材ですが、メーカーは加工時にしばしば課題に直面します。これらの課題には次のものが含まれます。

高い化学反応性とかじり

チタン合金を加工する場合、一部のガスがチタン合金と反応して、表面の酸化や脆化などの問題を引き起こす可能性があります。コンポーネントが弱くなり、耐食性が低下する可能性があります。

さらに、この金属は高い強度に比べて弾性率が低いため、機械加工するにはゴム状の材料となります。チタンは粘着性があるためCNC切削工具に付着し、故障や破損の原因となる場合があります。工具の損傷とは別に、かじりによってチタンの表面仕上げの品質が損なわれることがよくあります。

熱の蓄積と切削力

チタンの加工中に低温を維持することは、最も困難な課題の 1 つです。その理由は、チタンは熱伝導率が低いため、ツーリングが高速な場合、金属ワークピースに熱が蓄積するためです。これは摩耗が早くなり、特に硬いチタン合金を加工する場合は、取り扱わないと切断面の品質に悪影響を与える可能性があります。

これらのより頑丈なチタン合金には、CNC マシンでより大きなチップ負荷とより低い RPM を使用することが不可欠です。高圧クーラントは、切削工具の効率を高め、より高品質のチタン片を作成するのにも役立ちます。

また、チタン合金は高い切削抵抗を必要とするため、切削が困難になります。これらの切削力は、多くの場合、工具の摩耗、部品の欠陥、高振動を引き起こし、その結果、製品の品質と表面仕上げに影響を与えます。

残留応力と硬化応力

チタン合金はその結晶構造により柔軟性がそれほど高くないため、加工中に問題が発生する可能性があります。その結晶構造により、機械加工中の切削抵抗が増加し、機械加工の容易さが低下し、残留張力が発生する可能性が高くなります。これらの張力により、ポジションがねじれたり、亀裂が入ったり、持続時間が短くなったりする可能性があります。

チタン加工に役立つヒント

チタンの加工は難しいため、多くの機械工場はこの最先端の素材を扱うことをためらっています。しかし、その卓越した品質により、多くのメーカーは高品質部品の製造にチタンの使用を選択しています。幸いなことに、熟練した CNC 機械工と工具メーカーがチタン機械に関する有用なヒントを開発しました。

部品をしっかりと固定します

チタンはもともと工具ビビリを起こしやすいため、振動を軽減するためにできることは何でもチタンの加工を容易にします。ワークのたわみを防ぐため、部品はしっかりと固定してください。さらに、非常に堅牢なツール配置を備えた一流の CNC マシンを利用します。工具のたわみを最小限に抑えるために、より短い切削工具の採用を検討することもできます。

適切な切削工具の選択

チタンの需要の高まりにより、工具メーカーはチタンの被削性を向上させるための新しい戦略を開発しています。炭窒化チタン (TiCN) または耐熱性窒化チタンアルミニウム (TiAlN) のコーティングが施された切削工具は、より長持ちします。

全体として、機械工は優れた品質のチタン専用工具を選択し、定期的に点検して摩耗した装置を交換する必要があります。また、熱の蓄積を抑えながらワークピースの除去速度を安定させるために、直径が小さく、切れ刃の数が多い工具の使用を検討してください。

カットパラメータを検討する

チタンを加工する場合は、温度管理に注意する必要があります。切断領域に向けて安定した高圧クーラントを適用することは、ワークピースと工具を冷却する最も簡単な方法の 1 つです。切りくずを切断領域から吹き飛ばせば、切りくずが機械加工ツールに付着することはありません。

さらに、チタンを扱う場合は、送り速度、主軸速度、切りくず負荷を考慮することが重要です。これには、ツールや機器にかかるストレスを制限し、同じ場所に長時間滞在しないことが必要になります。切削効率を高め、加工温度を下げるために、軸方向の切り込み深さを増やして半径方向のかみ合いを減らすなど、別の切削戦略も検討する価値があるかもしれません。

高圧冷却システムを使用して過熱を防止

チタン仕上げでは、工具半径のごくわずかな割合で接触する必要があり、非常に鋭利で、1 刃あたりの送りが非常に少なくなります。ただし、作業エリアの熱を取り除くのが難しくなります。放置しておくと最終的には切削工具が破損し、熱の影響により公差を維持することが困難になります。したがって、チタンを切断する場合は、可能な限り最適なクーラント設定を使用してください。

効果的な補助手段は高圧冷却システムです。用途によっては、スピンドルも必須となる場合があります。チタンを扱う場合には、冷却剤の濃度を高めることも有益であることが判明する可能性があります。

CNC 加工用のさまざまなチタン グレード

チタンにはさまざまなグレードやチタン合金の種類があり、それぞれに最適な用途、メリット、デメリットがあります。これらのグレードを詳しく調べてみましょう。

グレード 1 (酸素含有量の少ない純チタン)

最も頻繁に使用されるチタン タイプの中で、これは最も柔らかく、最も延性のあるチタン合金です。グレード 1 チタンは、優れた機械加工性、衝撃靱性、耐食性、成形性を備えています。欠点としては、他のグレードのチタンと比較すると強度が低いことです。このグレードは、医療、自動車、航空宇宙産業で応用されています。

グレード 2 (標準酸素含有量の純チタン)

これは主力チタンとしても知られています。耐食性、強度、成形性、溶接性、延性が高く、低強度です。グレード 2 チタンは、医療および航空宇宙産業で航空機エンジンの製造に使用されています。

グレード 3 (酸素含有量が中程度の純チタン)

グレード 1 および 2 ほど商業的に人気はありませんが、このチタンは優れた機械的特性を持っています。耐食性が高く、切削性、強度も優れています。医療、海洋、航空宇宙産業で応用されています。

グレード 4 (高酸素含有純チタン)

このグレードのチタンは、高い強度と耐食性を備えています。ただし、加工は簡単ではなく、多くの場合、大量のクーラントと送り速度が必要になります。グレード 4 チタンは、極低温容器、CPI 機器、機体コンポーネント、熱交換器などに応用されています。

上記のグレード 1 ～ 4 はすべて純チタンです。次のセクションでは、チタン合金のさまざまなグレードについて説明します。

グレード 5 (Ti6Al4V)

グレード 5 チタン合金には、4% のバナジウムと 6% のアルミニウムが含まれています。他の合金ほど強度はありませんが、高い耐食性と成形性を備えています。発電、海洋および海洋用途、重要な機体構造に最適です。

グレード 6 (Ti 5 Al-2.5Sn)

このチタン グレードは、特に高温での安定性、強度、溶接性に優れており、機体やジェット エンジンの製造に応用できます。

グレード 7 (Ti-0.15Pd)

このグレードのチタンはグレード 2 に似ていますが、唯一の違いは、耐食性を向上させるために添加されたパラジウムの含有量です。グレード7のチタン合金は、成形性、溶接性に優れています。化学処理装置の製造での使用に最適です。

グレード 11 (Ti-0.15Pd)

グレード 11 チタンはグレード 7 に非常に似ています。ただし、延性が高く、他の不純物に対する耐性が低くなります。強度はグレード 7 よりも低いため、海洋および塩素酸塩製造業界での用途が見出されます。

グレード 12 (Ti0.3Mo0.8Ni)

グレード 12 チタンは非常に高価で、0.8% のニッケルと 0.3% のモリブデンを含んでおり、優れた溶接性、高温での強度、耐食性を備えています。シェルや熱交換器、船舶や航空機の部品などに応用されています。

グレード 23 (T6Al4V-ELI)

極低格子間チタンまたは TAV-EIL としても知られるグレード 23 チタンは、グレード 5 と同様の特性を共有しますが、より純粋です。破壊靱性、生体適合性は良好ですが、比較的機械加工性は劣ります。整形外科用ピン、ネジ、外科用ステープル、歯科矯正器具の製造に使用されています。

チタンの加工に適した切削工具を選択するにはどうすればよいですか?

チタンの CNC 加工に切削工具を使用するのは、通常、悪い考えです。ここでは、チタンのフライス加工や他の CNC 加工技術を使用する場合に適切な切削工具を選択する方法を説明します。

切削工具の刃数を考慮する

製品のサイクルタイムを得るには、エンドミルのフルートの数を増やす必要があります。チタンの場合、歯数が多いほどびびりは少なくなります。たとえば、10 枚刃のエンドミルは、ほとんどの材料に理想的な切りくず負荷に耐えられますが、チタンでの使用には最適です。これは主に、半径方向のかみ合いを減らす必要があるためです。

断続的な切断を避け、刃先を鋭く保ちます

チタンはヤング率が低いため、強度と弾力性に優れています。これは、こすらずに効率的に切りくずを表面から除去するには、鋭利な工具が必要であることを意味します。

断続的な切削はできるだけ避けてください。鋭利な刃物に切りくずが打ち込まれ、早期に工具が故障する可能性があるためです。

切削工具のコーティングを考慮する

コーティングにより、チタンによって発生する熱に耐える工具の能力が大幅に向上します。 TiAlN (窒化チタンアルミニウム) は検討に適したコーティングです。潤滑性を付与して、エッジの蓄積、かじり、切りくずの溶着を防止し、機械加工で経験する温度に特に適しています。

チタンの加工には高送りミルを試してください

高送りミルは、チタンを軸方向および半径方向に加工する際に噛み合いを低く保つのに適しています。これらのツールは、そのタスクを効果的に実行するために特別に作られています。

チタン機械加工部品の表面仕上げ

チタン研磨を含むさまざまな表面仕上げ技術により、機能的および美的理由から CNC 機械加工チタン製品を強化できます。これらの表面仕上げには次のようなものがあります。

• 研磨
• 陽極酸化処理
• クローム加工
• 粉体塗装
• PVD コーティング
• ブラッシング

チタン機械加工部品の用途

チタン加工部品は耐久性、耐食性、美観に優れています。これらの特性により、さまざまな業界での応用が可能になります。

海洋/海軍産業

ほとんどの天然金属と比較して、チタンは高い耐食性を持っています。この耐性により、プロペラ シャフト、水中ロボット工学、索具装置、ボール バルブ、船舶用熱交換器、消防設備配管、ポンプ、排気筒ライナー、搭載冷却システムの製造に最適です。

航空宇宙

チタンは、その数多くの望ましい品質により、航空宇宙産業で人気の素材です。これらの品質には、高い強度重量比、優れた耐腐食性、極度の高温環境での能力が含まれます。航空宇宙産業におけるチタン部品には、シート コンポーネント、タービン コンポーネント、シャフト、バルブ、ハウジング、フィルター部品のほか、酸素発生システム用の部品が含まれます。

自動車

自動車分野ではチタンとアルミニウムの議論が絶えず激しくなっており、入手しやすさと費用対効果の点でアルミニウムが優位に立っています。それにもかかわらず、チタンは依然として自動車部品の製造に使用されています。チタンとその合金の主な自動車用途は、バルブ、バルブ スプリング、リテーナー、車止めブラケット、吊り下げイヤー ナット、エンジン ピストン ピン、サスペンション スプリング、ブレーキ キャリパー ピストン、エンジン ロッカー、および内燃エンジンのコネクティング ロッドの製造です。

医療および歯科

医療業界では、チタンの高い耐食性、低い導電率、および生理学的 pH 値により、チタンがいくつかの用途に使用されています。医療業界で使用されるチタン製の部品には、テーパー、ストレート、またはセルフタッピング骨ねじ、歯科インプラントねじ、頭蓋固定システム用の頭蓋ねじ、脊椎固定ロッド、コネクターおよびプレート、整形外科用ピンなどが含まれます。

チタン部品の加工には WayKen をお選びください

WayKen は、チタン加工を専門とする CNC 加工の専門会社です。当社は、高品質の CNC 加工チタン サービスを非常に競争力のある価格で業界に提供しています。 5 軸加工と精密機械設備を備えた当社のデザイナーとエンジニアのチームは、常にご注文を最短時間で受け付けて処理し、市場投入までの時間を短縮します。

結論

チタンとその合金は、部品を最適に製造するために慎重な機械加工が必要です。鋼や真鍮などの同等の金属とは大きく異なる金属です。正しいツールの使用、専門知識、忍耐が必要です。このため、チタン CNC 加工プロジェクトは、精度の高い高品質部品を保証する WayKen のような専門家に委託するのが最善であることが多いのです。

よくある質問

チタンは鋼よりも機械加工が難しいですか?

チタンは、主に融点が高いため、鋼よりも機械加工が困難です。また、非常に展性があり、破損する前に伸びることが多いため、機械加工が困難になります。

チタンフライス加工の送り速度はどれくらいですか?

チタンを加工する場合、このインサートは 40 ～ 150 m/分の速度、1 刃あたり 0.03 ～ 0.15 mm の送り速度で切削する必要があります。

機械加工後のチタンの応力除去はどのように行うのですか?

応力除去技術は、延性や強度を損なうことなくチタン合金に使用できます。鍛造品は、金属を 595 ～ 705 °C (1100 ～ 1300 °F) の温度に 1 ～ 2 時間加熱してから空冷することによって製造されます。