钛是一种高性能工程材料，具有出色的强度重量比、疲劳强度和耐腐蚀性。钛及其合金的用途十分广泛，例如珠宝、飞机、发电厂、医疗设备、导弹等。然而，钛不像其他软材料那样易于加工。加工钛合金时需要考虑几个因素 钛数控加工， 从工具到加工变量。

本文将讨论钛及合金加工中需要了解的所有方面，包括加工操作、需要考虑的因素、优点、应用、表面处理选项等。

什么是钛？

钛是一种轻质、坚固、耐用且高度耐腐蚀的金属。它具有出色的韧性和硬度以及较低的摩擦系数和耐磨性。

钛的精确加工非常具有挑战性，特别是当它需要被加工成固有形状时。 因此，数控加工是钛制造的理想选择。

钛合金牌号

两种钛合金在制造工艺中很受欢迎，包括 数控加工. 

• 钛-6铝-4钒： 它具有高强度重量比，适用于飞机零件。
• Ti-6Al-4VEli： 它具有出色的生物相容性，使其成为医疗应用的理想选择。

钛板

在市场上，可数控加工的钛有多种等级（1-10 级）。 随着数量的增加，力量也会同时增强。

年级	描述
等级1-4	它是各个等级中最纯净的钛形式。 它比钢轻，强度也比钢高。
5级	它能够适应高工作温度，这使得它适用于化学加工、航空航天、船舶和许多其他应用。
9级	9级钛合金以其高强度和可焊接性而闻名。 它可以在高温下工作而不会显着损失其机械性能。

 

钛数控加工

硬质合金切削刀具 带有圆弧过渡刀尖，用于钛 CNC 加工。 钛的硬度水平需要更残酷的加工工具。 这些刀具包含一个小前角和一个大后角，以优化接触长度（切削刀具区域的加工区域）。 相当大的接触长度可以降低摩擦力。

圆形尖端可形成尖角，不会烧坏和碎裂。 如果需要较大的切削深度，钛的 CNC 加工需要较低的加工速度和进给率。

也可以实现高切削速度。 然而，建议密切关注工件和工具的温度增量。 有时，高切削速度会因切屑和刀具之间的反应而导致崩刃和断裂。

钛数控铣削

CNC 铣削零件

CNC铣削 通过使用旋转工具去除材料，从工件上形成所需的形状。 考虑钛的各种特性并采取相应措施铣削钛工件至关重要。 钛的高强度和硬度需要坚韧的铣削工具，例如由硬质合金和硬化钢制成的铣削工具。 钛工件上承受的巨大力量会导致铣削刀具出现过热问题，从而导致毛刺的形成和尺寸不一致。

为了避免 CNC 铣削过热，必须持续涂抹润滑剂。此外，如果不限制最终要求（例如表面光洁度和公差），也可以降低加工速度。

振动是钛合金 CNC 铣削的另一个结果。高强度会导致切削刀具振动，从而缩短使用寿命。同样，硬质合金刀具是减少振动的最佳选择。

 

钛材数控车削

钛 CNC车削 在 CNC 车削中，工件旋转，刀具将材料送入以将其转换为所需的几何形状：钛的高机械强度和韧性要求较低的车削速度。工件的高转速会导致凹坑和凹槽的形成。此外，过多的热量会导致切屑的形成。

• 切削液可最大限度降低温度上升，因此请使用合适的冷却液。
• 细晶粒硬质合金刀具是数控车削的首选。
• 建议选择切削深度时考虑刀片直径的 15% 至 20%。

 

钛数控钻孔

中等速度适合钛钻孔，因为高速会引起振动和过热问题。钛的强度和硬度很高，因此需要硬质合金钻头才能钻出精确的孔。

在钛合金上钻深孔具有挑战性。 硬度会影响孔的直线度。 如果需要深孔，可以使用空心切削刀具创建直圆孔 （萨菲安·谢里夫，2012）.

 

钛数控加工的变量

由于钛合金具有某些机械特性，例如导热性差、机械强度和硬度差，因此钛合金的 CNC 加工面临一些挑战。为了获得最佳加工效果，需要考虑不同的因素。

1. 过热

在确定进给率和切削速度时，考虑过多的热量至关重要。 钛不像铜或铝。 它会产生大量热量，从而损坏工具和零件的质量。

此外，应优先考虑冷却设置，当温度超过预期范围时必须调整转速。

2. 适当的刀具路径

刀具路径的基本原则是 CNC 加工刀具应始终啮合钛工件。 工具部分的优化确保更少 周期 和质量。 例如，以循环图案组合设置刀具路径可以优化凹槽创建。

3. 工件的夹持

钛合金工件必须用刚性工件夹持装置紧紧夹住，以免造成加工停止。夹持不当（太松或太紧）可能会损坏工件和 CNC 切削刀具。

4. 内置边缘

积屑瘤是钛 CNC 加工的另一个问题。 切屑可能会粘在工具上，因此需要经常清除以避免此问题。 可以使用高压冷却液去除切屑。

 

钛零件的其他加工方法

除了 CNC 加工操作外，钛还可以使用其他制造方法进行切割和成型，如等离子切割、激光切割、水射流切割等。这些技术作为非剪切切割方法有不同的用途。让我们逐一简要讨论一下；

钛等离子切割

使用等离子切割钛合金需要使用等离子炬，该等离子炬会产生一股浓缩的电离气体，即等离子。这种等离子弧会精确熔化材料，然后进行切割以塑造工件。同时，温度可高达 30,000°C。  

电弧在电极（阴极）和钛工件（阳极）之间产生。电弧使气体（通常是氩气、氮气或混合物）电离，形成等离子束。随后，等离子炬引导喷射流通过收缩喷嘴朝向钛工件。高级 CNC 等离子切割机可以使用预加载的 CNC 程序引导运动。

下表显示了 等离子切割钛 简单来说;

气体类型	氩气、氮气或氢氩混合气
等离子炬	氧-乙烷喷灯
切割速度	10-200 mm/min
气体流量	0.5-1.5 m³/h（氩气）、0.3-1.0 m³/h（氮气）

此外， 等离子切割应用 从医疗设备到航空航天部件，对于各个行业都至关重要。

• 航天： 机身部件、发动机部件、起落架和结构部件。
• 医疗： 植入物（髋关节和膝关节置换术）、手术器械、医疗设备和假肢。
• 工业： 化学加工设备、热交换器和压力容器。
• 海洋： 船舶部件、潜艇部件、海上钻井设备。
• 汽车： 高性能汽车零部件，如排气系统和结构部件。
• 防御： 军用车辆零件、装甲板、防护装备。

再生能源： 风力涡轮机组件、太阳能电池板部件和储能系统。

钛激光切割 

另一种钛加工方法是激光切割，利用聚焦的激光束熔化和蒸发材料，从而实现精确而干净的切割。然而，如果不使用合适的参数，钛的热敏感性和特性可能会导致缠绕、污染和变色。 

此外， 钛激光切割 允许进行具有严格公差的复杂设计。这些优势使其适用于食品、航空航天、医疗、汽车、电子和其他工业部件。

下表简要总结了激光切割钛的特点；

激光切割机类型	CO2激光
速度	50-1000 mm/min
厚度	0.5-20 mm
气体类型	氮气、氧气

钛水射流切割

混合磨料的高压水射流通过从切割位置侵蚀材料，将钛板和棒切割成精确的形状。喷射压力可高达 4000 巴。水射流切割解决了激光和等离子切割等其他加工方法中可能出现的热损伤。

钛水射流切割的特点如下；

适用磨料	石榴石、橄榄石、碳化硅
速度	25-100 mm/min
厚度	0.5至150 mm
喷射压力	1000 至 4000 巴（100 至 400 MPa）

 

钛零件的表面处理

钛的 CNC 加工会在加工表面留下刀痕和一些微小的毛刺。 然而，它提供了出色的机器表面光洁度（Ra 值低至 1.20μm  （GA 易卜拉欣，2003 年）. 因此，钛零件的机加工光洁度不足以满足医疗植入物、电子产品、组件、航空航天零件等关键应用的需求。因此，表面处理对于美观应用也变得至关重要。

钛部件有不同的表面处理技术，可达到低至 0.3 μm 的粗糙度水平，每种技术都有独特的能力和优势。

等离子电解氧化

它也被称为微弧氧化 (MAO)。该过程涉及将钛部件浸入电解质溶液中并施加高压电场。它在金属表面形成一层坚硬耐磨的氧化层（硬质氧化物涂层）。钛部件浸入电解质溶液中，并在此过程中受到高压电场的影响。这会导致钛表面发生微放电。这种表面处理具有耐腐蚀性、耐磨性和热稳定性。

阳极氧化 

阳极氧化可利用电解沉积工艺形成不同厚度的保护涂层。通过调节阳极氧化参数（例如电压、电流密度和电解质成分），可以控制氧化层的厚度和性质。 钛阳极氧化 不仅提高了耐腐蚀性能，还可以通过染色使表面呈现各种颜色。

钛抛光

钛抛光包括用大到小尺寸的砂砾进行研磨，然后进行抛光过程。它可以消除所有表面不规则和瑕疵，从而提供光滑如镜的表面。因此， 抛光钛 增强了钛部件的美观度，还可以减少特定应用中的摩擦和磨损。

 

钛、钢、铝、不锈钢

就强度和重量而言，钢、不锈钢和铝是三种主要替代品。不锈钢和钢都是铁合金，含有碳、铬、锰和其他合金元素。另一方面，铝是一种高度耐腐蚀且重量轻的材料，具有出色的可加工性和可成形性。

如果我们具体比较 钛与钢钛比钢更轻、更坚固、更耐腐蚀，但价格更昂贵。而钢更重、更经济，并且因其多功能性和强度而被广泛使用。同样，与钢相比，钢具有更高的可加工性 钛合金加工与钢加工。因此，选择钛合金的加工工具和加工参数需要不同的具体考虑。因此， 钛与铝、钛与不锈钢以及其他的比较可以帮助做出明智的决策，以优化加工过程。 

此外，下表从各个方面区分了这些制造材料；

标准	钛	铁板	铝板	不锈钢
关键属性	轻质、坚固、耐腐蚀	强劲、多功能、经济高效	重量轻、耐腐蚀、导电	耐腐蚀、坚固、耐用
可加工性	中等难	中等到容易	简便	中等难
强度重量比	高	中	高	中
加工合金	Ti-6Al-4V	1020, 1045, A36	6061，7075	304，316
应用案例	航空航天部件、医疗植入物	建筑、汽车、工具	飞机结构、包装	医疗器械、厨房用具

 

钛数控加工优点

钛的数控加工具有多种优点，例如出色的尺寸精度、复杂的形状、成本效益、快速的交货时间、高的强度重量比等等。 让我们简单回顾一下其中的几个。

• Biocompatibl到

钛由于其生物相容性、耐腐蚀性和无毒性质而具有多种医疗应用。 它可以与铁、铝、钼、镍等元素结合，使其强度更高。

• 优异的抗腐蚀性

CNC 加工的钛金属具有极强的耐腐蚀性。因此，它不会长时间磨损，并能承受任何程度的潮湿和海洋条件。

• 高强度重量比

钛是一种轻质金属，具有较高的强度重量比，是铝的 1.3 倍和不锈钢的 3.5 倍。这一优势使其成为航空航天应用的理想选择。

• 复杂形状

CNC 加工可以将钛加工成复杂的形状。 使用高刚性硬质合金或金刚石工具可以将任何复杂的 3D 设计转化为具有高度尺寸精度的现实。

• 经济高效

通过 CNC 加工制造钛零件比传统制造方法和 3D 打印等尖端技术更具成本效益。

• 平台精度

CNC 加工为多种应用制造精确的零件。 先进的 5 轴 CNC 机床可将公差保持在 ±0.0005 英寸以下。

 

CNC加工钛合金零件的应用

1. 航空航天

飞机上的钛零件

钛的耐腐蚀特性和高强度使其适合航空航天应用。 疲劳强度、韧性、耐温性和耐磨性等其他特性有助于钛航空航天部件的功能。 钛的数控加工在发动机叶片、起落架、轴、内部结构、压缩机叶轮、连杆、发动机舱等的制造中发挥着重要作用。

2. 医疗行业

钛具有化学惰性和生物相容性，因此可用于医疗应用。通过 CNC 加工可以实现医疗植入物和手术设备的高精度。钛的一些典型医疗应用包括骨生长刺激器、脊柱融合装置、骨板、正畸和假体部件。

3. 船舶

钛的 CNC 加工在海洋工业中也有重要用途。优异的耐腐蚀性和轻质特性非常适合海洋应用，例如甲板、卸扣、弹簧钩、压力容器、潜艇探测器等。

4. 汽车

各种钛汽车零部件

钛金属因其抗冲击性和耐用性而广泛应用于跑车和豪华车。钛金属用于车架、紧固件、消声器、排气管、发动机阀门、承重弹簧等。

5. 其它

除了所有这些应用之外，钛数控加工还适用于石油和天然气、建筑、建筑、珠宝、体育、电动汽车和其他行业。

 

最后的想法

钛是一种轻质金属，具有出色的耐腐蚀性、高机械强度、硬度、生物相容性以及其他独特的机械和化学性能。这些特性使其适用于汽车、航空航天、医疗、建筑、建筑、船舶和其他工业应用。几乎所有钛零件都可以用 CNC 加工为这些行业制造。

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常见问题

为什么钛很难进行CNC加工？

钛的硬度、低导热性和高机械强度等特性使得精确 CNC 加工具有挑战性。 它需要考虑各种操作变量。

钛材CNC加工的基本注意事项有哪些？

有时，操作变量的微小变化就会改变加工部件的质量，设计优质钛合金部件时必须考虑不同的因素。这些变量包括热量的产生、积屑瘤的形成、切削速度、进给率等等。

钛零件为何选择CNC加工？

钛 CNC 加工提供出色的尺寸精度和低至 ±0.0005 英寸的公差。 此外，它可以创建复杂的形状，具有成本效益，并且交货时间短。

CNC加工常用的钛合金有哪些？

Ti-6Al-4V 和 Ti-6Al-4VEli 是 CNC 加工项目中使用最多的钛合金。然而，钛合金有十个不同等级（1 至 10 级），性能各异。

 

参考书目

1. A.易卜拉欣，CC (2003)。 干式加工对钛合金 Ti-6Al-4V ELI 表面完整性的影响。 ScienceAlert.
2. 萨菲安·谢里夫，EA (2016)。 钛合金钻孔加工性能。 英泰开放。