チタンCNC加工のマスター: コツ、課題、材料グレード

チタンは優れたCNC加工材料です。高温に耐え、化学的腐食に強いです。さらに、軽量でいくつかの他の特性を持ち、製造業者にとってユニークで望ましい材料です。

CNC加工チタン部品は非常に耐久性がありますが、高い引張強度のためチタン加工は困難です。本記事では、チタンのCNC加工、チタン加工に適した切削工具の選び方、成功する加工を保証する有用なコツについて詳しい情報を提供します。

なぜCNC加工部品にチタンを選ぶのか？

製造材料としてのCNCチタンの主なメリットには、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重量比が含まれます。この金属は優れた延性と良好な加工性も持ちます。チタンをCNC加工部品に選ぶ他の理由には：

• 耐久性: チタンは非常に耐久性が高く、過酷または極限の作業条件にさらされるCNC加工部品の製造に最適。
• 非磁性: この金属には磁気特性がありません。また優れた酸化耐性を持ち、結果として腐食力に耐性があります。
• 無毒性: チタンは耐食性、高い生体適合性、無毒性を持ち、医療業界での使用に最適。

これらのチタンの特性により、航空宇宙、医療、自動車などさまざまな業界で応用されています。

チタン加工時に考慮すべき課題

CNCチタンは多くの用途で優れた材料ですが、製造業者は加工時にしばしば課題を経験します。これらの課題には：

高い化学反応性とガリング

チタン合金を加工すると、一部のガスがそれらと反応し、表面酸化や脆化などの問題を引き起こす可能性があります。これによりコンポーネントが弱まり、耐食性が低下する恐れがあります。

さらに、この金属は高強度に対して低い弾性率を持つため、加工時にガミィ(粘着性)な材料になります。ガミィなため、チタンがCNC切削工具に付着し、破損と損傷を招く可能性があります。工具損傷以外にも、ガリングはチタンの表面仕上げ品質を損なうことがよくあります。

発熱と切削力

チタン加工時に低温を維持することは最も難しい課題の一つです。理由はチタンの熱伝導率が低く、工具が高速で動作する箇所で金属ワークピースに熱が蓄積するためです。これが適切に処理されないと、特に硬いチタン合金を加工する際に工具がより速く摩耗し、切削面の品質に悪影響を及ぼす可能性があります。

より大きなチップロードと低いRPMをCNC工作機械で使用することは、これらのより硬いチタン合金にとって不可欠です。高圧クーラントも切削工具の効率的な作動とより高品質なチタン部品の作成に役立ちます。

また、チタン合金には高い切削力が必要で、切削が困難です。これらの切削力は工具摩耗、不良部品、高振動を引き起こし、結果として製品品質と表面仕上げに影響します。

残留応力と硬化応力

結晶構造により、チタン合金は極めて柔軟ではなく、加工中に問題を引き起こす可能性があります。結晶構造が加工中の切削力を増加させ、加工容易性を低下させ、残留応力の可能性を高めます。これらの応力により部品が歪み、割れ、または寿命が短くなることがあります。

チタン加工の有用なコツ

多くの工作機械はチタン加工の難しさからこの最先端材料の取り扱いを躊躇します。しかし、その優れた特性により、多くの製造業者が高品質部品製造のためにチタンの使用を選択しています。幸い、熟練したCNC機械技師と工具メーカーがチタン機械加工に関する有用なコツを開発しています。

部品をしっかり固定する

チタンはすでに工具チャッターを生みやすいため、振動を軽減するあらゆることがチタン加工を容易にします。ワークピースのたわみを防ぐため、部品をしっかり固定してください。また、極めて剛性の高い工具配置を持つ最高級CNC工作機械を活用してください。より短い切削工具を採用して工具たわみを最小限に抑えることも検討できます。

適切な切削工具を選ぶ

チタンへの需要の高まりに伴い、工具メーカーはチタンの加工性を向上させる新しい戦略を開発しています。チタンカルボナイトライド(TiCN)または耐熱性チタンアルミニウムナイトライド(TiAlN)でコーティングされた切削工具はより長寿命です。

全体として、機械技師は優れた品質のチタン専用工具を選択し、摩耗した工具を定期的に検査・交換すべきです。また、より小さな直径と多くの切れ刃を持つ工具を使用すると、ワークピース除去率を安定させながら発熱を制限できます。

切削条件を考慮する

チタン加工時には温度管理を慎重に行う必要があります。カット領域に向けた安定した高圧クーラントの適用は、ワークピースと工具を冷やす最も簡単な方法の一つです。チップがカット領域から吹き飛ばされれば、加工工具にチップが付着しません。

さらに、チタン加工時には送り速度、主軸速度、チップロードを考慮することが重要です。これは工具と設備へのストレスを制限し、一箇所に長くとどまらないことを意味します。軸方向切り込み深さを増やしながら半径方向切り込みを減らすなどの代替切削戦略も、切削効率の向上と加工温度の低減のために検討する価値があります。

高圧冷却システムで過熱を防ぐ

チタン仕上げには、工具半径の非常に小さな割合が接触する超鋭利で非常に小さな歯当たり送りが要求されます。しかし、これは作業領域から除去しにくい熱を生み出します。放置すると最終的に切削工具を破壊し、熱影響で公差維持が困難になります。したがって、チタン切削時には可能な限り最高のクーラントセットアップを使用してください。

効果的な助けとなるのは高圧冷却システムです。用途によってはスピンドルスルークーラントも不可欠です。クーラント濃度を高めることもチタン加工時に有益な場合があります。

CNC加工用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とチタン合金タイプがあり、それぞれに理想的な用途、メリット、デメリットがあります。これらのグレードを詳細に見ていきましょう。

グレード1(低酸素含有純チタン)

最も頻繁に使用されるチタンタイプの中では、これが最も軟らかく最も延性の高いチタン合金です。グレード1チタンは優れた加工性、衝撃靭性、耐食性、成形性を持ちます。欠点は他のチタングレードと比較して強度が低いことです。このグレードは医療、自動車、航空宇宙業界で応用されています。

グレード2(標準酸素含有純チタン)

これは「作業馬チタン」としても知られます。高い耐食性、強度、成形性、溶接性、延性、低強度を持ちます。グレード2チタンは航空機エンジン製造のために医療と航空宇宙業界で応用されています。

グレード3(中酸素含有純チタン)

グレード1と2ほど商業的に普及していませんが、このチタンは良好な機械的特性を持ちます。高い耐食性、加工性、強度を備えます。医療、海洋、航空宇宙業界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強度と耐食性を持ちます。しかし、加工が容易ではなく、多量のクーラントと送り速度を必要とすることが多いです。グレード4チタンは極低温容器、CPI装置、機体コンポーネント、熱交換器などに応用されています。

以上のグレード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(Ti-6Al-4V)

グレード5チタン合金は4%バナジウムと6%アルミニウムを含みます。他の合金ほど強くはありませんが、高い耐食性と成形性を持ちます。発電、オフショア・海洋用途、重要な機体構造に最適です。

グレード6(Ti-5Al-2.5Sn)

このチタングレードは、特に高温での良好な安定性、強度、溶接性を持ち、機体とジェットエンジンの製造に応用されています。

グレード7(Ti-0.15Pd)

このグレードのチタンはグレード2と類似しており、唯一の違いは耐食性向上のために添加されたパラジウム含有量です。グレード7チタン合金は優れた成形性と溶接性を持ちます。化学処理装置の製造に最適です。

グレード11(Ti-0.15Pd)

グレード11チタンはグレード7と非常に似ています。しかし、より延性が高く、他の不純物に対する許容度が低いです。グレード7より強度が低く、海洋と塩素製造業界で応用されています。

グレード12(Ti-0.3Mo-0.8Ni)

グレード12チタンはかなり高価で、0.8%ニッケルと0.3%モリブデンを含み、優れた溶接性、高温強度、耐食性を提供します。シェルと熱交換器、海洋・航空機コンポーネントなどに応用されています。

グレード23(Ti-6Al-4V-ELI)

超低介在物(ELI)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と類似の特性を持ちますが、より純粋です。優れた破壊靭性、生体適合性、相対的に悪い加工性を持ちます。整形外科用ピン、ネジ、手術用ステープル、矯正歯科用アプライアンスの製造に使用されます。

チタン加工用の適切な切削工具の選び方？

チタンでCNC加工する際に任意の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際の適切な切削工具の選び方を説明します。

切削工具の刃数を考慮する

製品サイクルタイムを得るには、エンドミルの刃数を増やす必要があります。チタンの場合、刃数が多いほどチャッターが少なくなります。例えば、ほとんどの材料に理想的なチップロードではタイトな10枚刃エンドミルが、チタンには最適です。これは主に半径方向切り込みを減らす必要があるためです。

断続切削を避け、切削刃を鋭利に保つ

低ヤング率により、チタンは強靭で弾力性があります。これは、表面からチップを効率的に摩擦なしで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。

断続切削は可能な限り避けてください。鋭利な刃先工具にチップが叩き込まれ、早期工具破損につながる可能性があるためです。

切削工具コーティングを考慮する

コーティングはチタンによって生成される熱に耐える工具の能力を大幅に向上させます。TiAlN(チタンアルミニウムナイトライド)は検討に値する適切なコーティングです。潤滑性を付与し、ビルトアップエッジ、ガリング、チップ溶着を防止し、加工で経験される温度に特に適しています。

チタン加工時に高送りカッターを試す

高送りカッターは、軸方向と半径方向にチタンを加工する際に切り込みを低く保つのに適しています。これらの工具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。

機械加工チタン部品の表面仕上げ

チタン研磨を含むさまざまな表面仕上げ技術が、機能的および美観的理由でCNC加工チタン製品を向上させます。これらの表面仕上げには：

• 研磨
• アルマイト
• クロムめっき
• 粉体塗装
• PVDコーティング
• ブラッシング

機械加工チタン部品の用途

機械加工チタン部品は耐久性、耐食性、美観を備え、さまざまな業界で応用されています。

海軍/海洋業界

自然界に存在するほとんどの金属と比較して、チタンはより高い耐食性を持ちます。この耐性により、プロペラシャフト、水中ロボティクス、索具装置、ボールバルブ、海洋熱交換器、消火配管、ポンプ、排気スタックライナー、乗艦冷却システムの製造に最適です。

航空宇宙

多くの望ましい特性により、チタンは航空宇宙業界で求められる材料です。これらの特性には、高い強度重量比、優れた耐食性、極めて高温環境での能力が含まれます。航空宇宙業界のチタン部品には、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、酸素生成システム部品などがあります。

自動車

自動車分野ではチタンvsアルミニウムの議論が絶えず、アルミニウムが入手性とコスト効率で優位に立っています。それでも、チタンは自動車部品の製造で見られます。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、ハンギングイヤーナット、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、エンジンロッカーアーム、内燃機関のコンロッドなどの製造です。

医療・歯科

医療業界は、高い耐食性、低電気伝導性、生理的pH値によりチタンにいくつかの用途を見出しています。医療業界で使用されるチタン製部品には、テーパー、ストレート、自己タッピングの骨ネジ、歯科インプラントネジ、頭蓋固定システム用頭蓋ネジ、脊椎固定ロッド、コネクタ、プレート、整形外科用ピンなどがあります。

チタン部品加工にはWayKenを選択

WayKenはエキスパートCNC加工会社で、チタン加工に優れた専門性を持ちます。高品質なCNCチタン加工サービスを業界に高度に競争力のある価格で提供します。5軸加工と精密工作機械により、設計者とエンジニアのチームが常にお客様の注文を受け、最短時間で処理し、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、最適な部品生産のために慎重な加工を必要とします。これは鋼や真鍮のような対応材料とは大きく異なる金属です。正しい工具、専門知識、忍耐の使用が必要です。これが、チタンCNC加工プロジェクトをWayKenのような高品質と精度を保証するプロフェッショナルにアウトソースするのが最善である理由です。

よくある質問

チタンは鋼より加工が難しいですか？

チタンは鋼より加工が難しいです。主に高い融点が原因です。また非常に延性が高く、破断前に伸びることが多いため、加工が難しくなります。

チタンフライス加工の送り速度は？

チタン加工時、このインサートは40〜150 m/minの切削速度、0.03〜0.15 mm/刃の送り速度で切削すべきです。

加工後にチタンの応力除去はどう行いますか？

応力除去技術はチタン合金の延性や強度を損なうことなく使用できます。鍛造品は、金属を595〜705℃(1100〜1300°F)で1〜2時間加熱後、空冷することで製造されます。