Titanbearbeitung: Herausforderungen, Werkzeuge und Tipps

Titan ist ein hervorragendes Bearbeitungsmaterial mit einer Vielzahl von Eigenschaften und wird für die CNC-Bearbeitung wegen seiner ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Haltbarkeit und guten Biokompatibilität für zahlreiche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik bevorzugt. Dieser Artikel vermittelt wichtiges Wissen zur Titanbearbeitung, darunter die Werkzeugauswahl, die Gründe für die schwierige Bearbeitung von Titan, Tipps für die CNC-Bearbeitung von Titan sowie Anwendungen.

Was ist Titan?

Titan ist ein Übergangsmetall mit silberweißem Glanz, das 1791 in England entdeckt wurde. Zwei der wichtigsten Eigenschaften von Titan sind sein Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und seine Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus ist es hervorragend biokompatibel und selbst in großen Mengen unbedenklich, was es für die Medizintechnik wertvoll macht. In der Fertigung wird Titan häufig mit Aluminium, Vanadium, Zirkonium und Molybdän legiert.

Warum Titan für CNC-Bearbeitungsteile wählen?

Obwohl die Bearbeitung von Titan teuer ist, bleibt es ein beliebtes Fertigungsmaterial. Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Vorteile von Titan als Bearbeitungswerkstoff:

Korrosionsbeständigkeit: Titan reagiert leicht mit Sauerstoff und bildet eine dünne Oxidschicht auf seiner Oberfläche, wodurch es von Natur aus korrosionsbeständig ist.

Festigkeits-Gewichts-Verhältnis: Die Dichte von Titan beträgt 4,51 g/cm3, also 57 % der von Stahl, wodurch es weniger dicht ist; Titan ist weniger als doppelt so schwer wie Aluminium und dreimal so fest.

Biokompatibilität: Titan ist hochgradig biokompatibel. Im menschlichen Körper widersteht es der Korrosion durch Sekrete und ist ungiftig, was es zu einem idealen Material für die Medizinindustrie macht.

Haltbarkeit: Titan besitzt eine sehr hohe Festigkeit; die spezifische Festigkeit von Titanlegierungen ist 3,5-mal so hoch wie die von Edelstahl, 1,3-mal so hoch wie die von Aluminiumlegierungen und 1,7-mal so hoch wie die von Magnesiumlegierungen.

Unmagnetisch: Titan ist unmagnetisch, wird nicht durch magnetische Störungen beeinflusst und ist ein wichtiges Material für medizinische Scanner, Flugzeuge, Satelliten und Radar.

Warum Titan per CNC bearbeiten?

Aufgrund der Eigenschaften von Titanlegierungen wie hoher Festigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit treten Probleme wie schwierige Zerspanung und Bearbeitung, geringe Bearbeitungseffizienz und starker Werkzeugverschleiß auf, weshalb die Produktionskosten hoch sind. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der CNC-Schneid-, Schleif- und Formgebungstechnologie sinken die Kosten jedoch weiter; die CNC-Bearbeitung ist ausgereift und hochpräzise und nach wie vor das aktuelle Hauptverfahren zur Bearbeitung von Titanlegierungen.

Warum ist Titan schwer zu bearbeiten?

Wärmekonzentration

Die Wärmeleitfähigkeit der meisten Titanlegierungen ist sehr gering, nur 1/7 von Stahl, 1/16 von Aluminium und 1/25 von Kupfer. Daher wird die beim Schneiden von Titanlegierungen entstehende Wärme nicht schnell an das Werkstück abgeführt oder mit den Spänen abtransportiert, sondern konzentriert sich im Schneidbereich.

Die an der Werkzeugspitze entstehende Temperatur kann bis zu 1.000 °C erreichen, was zu schnellem Verschleiß und Rissbildung der Schneidkante des Werkzeugs sowie zu Spanaufschweißungen führt und die Standzeit des Werkzeugs verkürzt.

Elastische Verformung

Der Elastizitätsmodul von Titanlegierungen ist nicht sehr hoch; beispielsweise beträgt der Elastizitätsmodul von Ti-6Al-4V (Titan Grad 5) nur 110 GPa, während der Elastizitätsmodul von 45-Stahl 210 GPa beträgt und der Elastizitätsmodul von Edelstählen wie 304 und 316 ebenfalls bei etwa 200 GPa liegt. Daher kommt es bei der Bearbeitung von Titanlegierungen leicht zu elastischer Verformung.

Schwingungen

Die Elastizität von Titanlegierungen kann für die Bauteilleistung von Vorteil sein, doch die elastische Verformung des Werkstücks während des Schneidprozesses ist eine wesentliche Ursache für Schwingungen.

Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen entstehen etwa 10-mal stärkere Schwingungen als bei Stahl. Da sich die Schnittwärme im Schneidbereich konzentriert, entstehen gezackte Späne und es kommt zu Schwankungen der Schnittleistung.

Nützliche Tipps zur Titanbearbeitung

Kühlung

Verwenden Sie Kühlmittel, um hohe Schnitttemperaturen zu reduzieren. Nicht wasserlösliches Ölkühlmittel eignet sich für langsames Schwerzerspanen, wasserlösliches Schneidkühlmittel für das Hochgeschwindigkeitsschneiden. Niedertemperatur-Kühlverfahren, etwa mit flüssigem Stickstoff (-180 °C) oder flüssigem CO2 (-76 °C) als Kühlmittel, können die Temperatur der Schnittzone wirksam senken, die Qualität bearbeiteter Oberflächen verbessern und die Standzeit der Werkzeuge verlängern.

Auswahl geeigneter Zerspanungswerkzeuge

Die Auswahl geeigneter Zerspanungswerkzeuge kann die Bearbeitungseffizienz erheblich steigern. Da die Wärme bei Titanlegierungen hauptsächlich über die Schneidkante und das Kühlmittel abgeführt wird und nicht wie bei Stahl über die Späne, muss der winzige Teil der Schneidkante großen thermischen und mechanischen Belastungen standhalten. Eine scharfe Schneidkante reduziert die Schnittkräfte. Wo erforderlich, können beschichtete Werkzeuge eingesetzt werden, um die Klebeneigung der Legierung zu minimieren und übermäßig lange Späne zu brechen.

Konstanter Vorschub oder erhöhte Vorschubgeschwindigkeit

Während des Schneidens steigt die Härte von Titanlegierungen, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt. Daher ist ein konstanter Vorschub unerlässlich, um die Kaltverfestigung zu minimieren. Wenn es die Maschinenleistung zulässt, erhöhen Sie nach Möglichkeit die Vorschubgeschwindigkeit, um die Wahrscheinlichkeit von Wärmestau und Kaltverfestigung zu verringern.

Wie wählen Sie die richtigen Zerspanungswerkzeuge für die Titanbearbeitung aus?

Bei der CNC-Bearbeitung von Titan ist es oft eine Herausforderung, die richtigen Zerspanungswerkzeuge einzusetzen. Folgende Faktoren sollten Sie berücksichtigen:

Anzahl der Schneiden an Zerspanungswerkzeugen

Bei Titan gilt: Je mehr Schneiden, desto geringer das Schwingungsbild. Um kürzere Bearbeitungszyklen zu erreichen, müssen Sie die Anzahl der Spannuten in Ihrem Fräswerkzeug erhöhen. Ein Schaftfräser mit 10 Nuten hat beispielsweise bei den meisten Werkstoffen eine geringe Spanlast, ist aber für Titan ideal. Dies reduziert vor allem den radialen Eingriff.

Werkzeuggeometrie

Die Auswahl einer geeigneten Werkzeuggeometrie, einschließlich Spanwinkel, Freiwinkel und Keilwinkel, kann die Schnittkraft und die Schnittwärme reduzieren. Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen sollte in der Regel ein kleinerer Spanwinkel gewählt werden, was die Festigkeit der Schneidkante und die Ausbruchfestigkeit deutlich verbessert; die Wahl eines größeren Freiwinkels kann die Kontaktfläche zwischen der Werkzeugrückseite und der Übergangs- sowie der Bearbeitungsfläche verringern.

Hochvorschubfräser

Hochvorschubfräser eignen sich, um bei der axialen und radialen Titanbearbeitung einen geringen Eingriff beizubehalten. Hochvorschubfräser sind ideal, um die Wechselwirkung bei der radialen Titanbearbeitung mit einer 5-Achs-CNC-Maschine zu minimieren.

Beschichtungen für Zerspanungswerkzeuge

Beschichtungen können die Reibung wirksam reduzieren und die Hochtemperaturbeständigkeit von Zerspanungswerkzeugen verbessern. TiAlN (Titanaluminiumnitrid-PVD-Beschichtung) ist eine hervorragende Beschichtung für eine breite Palette von Zerspanungswerkzeugen. Sie wirkt schmierend, verhindert Spanaufbau, Verschleiß und Spananhaftung und eignet sich ideal für die Temperaturen beim CNC-Fräsen von Titanlegierungen.

Schneidkante scharf halten und Schnittunterbrechungen vermeiden

Aufgrund seines niedrigen Elastizitätsmoduls weist Titan eine hohe Festigkeit und Elastizität auf. Das bedeutet, dass wir scharfe Werkzeuge benötigen, um Späne effizient und reibungsfrei von der Oberfläche zu entfernen. Vermeiden Sie nach Möglichkeit unterbrochene Schnitte, da diese Art des Schneidens die Späne in das scharfe Werkzeug drückt und zu vorzeitigem Werkzeugversagen führen kann.

Oberflächenveredelungen für bearbeitete Titanbauteile

• Elektrophorese
• Kugelstrahlen
• Polieren
• Verchromen
• Lackieren
• PVD-Beschichtung
• Pulverbeschichtung

Anwendungen bearbeiteter Titanbauteile

Bearbeitete Titanbauteile sind langlebig, korrosionsbeständig und optisch ansprechend. Diese Eigenschaften machen sie für eine Vielzahl von Branchen geeignet.

Luft- und Raumfahrt

Titan ist aufgrund seines geringen Gewichts, seiner hervorragenden Tieftemperaturzähigkeit und seiner Hochtemperaturbeständigkeit ein unverzichtbarer Werkstoff in der Luft- und Raumfahrtindustrie. In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird Titan zur Herstellung von Raketentriebwerksgehäusen, Gehäusen künstlicher Satelliten, Raumfahrzeugen, Ultra-Tieftemperaturbehältern und Lagertanks an bemannten Raumfahrzeugen verwendet. In der Flugzeugfertigung spielen Titan und seine Legierungen eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Flugzeugturbinenscheiben, Schaufeln, Nieten, Gehäusen, Rumpfstrukturbauteilen und vielem mehr.

Chemie

Titan wird aufgrund seiner hohen Korrosions- und Hitzebeständigkeit in der petrochemischen Industrie häufig zur Herstellung von Wärmetauschern, Reaktoren, Lagertanks und anderen Anlagen eingesetzt. Besonders in Anwendungen, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit erfordern, wird Titan verstärkt verwendet.

Medizintechnik

Titan wird aufgrund seiner hervorragenden Biokompatibilität, seiner Unmagnetisierbarkeit und seiner Korrosionsbeständigkeit in großem Umfang in Medizinprodukten eingesetzt. Titan in medizinischer Qualität wird zur Herstellung von künstlichen Gelenken, künstlichen Knochen, Zahnimplantaten, Herzschrittmachern und anderen Medizinprodukten verwendet. Diese Titanprodukte sind gut mit menschlichen Knochen und Geweben verträglich und können über lange Zeiträume ohne Nebenwirkungen in den Körper implantiert werden.

Automobilindustrie

Titan ist leicht und zugleich gut hitze- und korrosionsbeständig, weshalb es in der Automobilindustrie zunehmend Verwendung findet, unter anderem bei der Herstellung von Motorkomponenten, Pleuelstangen, Kurbelwellen, Abgasanlagen sowie Karosserie- und Fahrwerksteilen. Die Fertigung von Bauteilen aus Titanlegierungen kann das Fahrzeuggewicht deutlich reduzieren, die Kraftstoffeffizienz verbessern und die Lebensdauer verlängern.

Marine

Dank seiner Korrosionsbeständigkeit kann Titan über lange Zeiträume stabil im Meerwasser betrieben werden. Aus Titan gefertigte U-Boote widerstehen nicht nur der Meerwasserkorrosion (Experimenten zufolge wird Titan nach 20 bis 50 Jahren auf dem Meeresboden nicht korrodiert), sondern halten auch dem Tiefseedruck stand – ihre Tauchtiefe liegt 80 % höher als die von U-Booten aus Edelstahl. Zugleich ist Titan unmagnetisch, wird von Minen nicht entdeckt und bietet somit einen sehr guten Schutz. Häufig wird es bei der Herstellung von Meerwasserentsalzungsanlagen, Offshore-Ölbohrausrüstung und Kraftwerken zur Umwandlung von Meereswärmeenergie eingesetzt.

Sport und Alltagsgüter

Die Korrosionsbeständigkeit und die Optik von Titan machen es ideal für Sport- und Alltagsprodukte. Im weltweiten Golfausrüstungssektor wird Titan in enormen Mengen verbraucht – jährlich werden über 6.000 Tonnen Titan für die Herstellung von Golfausrüstung verwendet. Darüber hinaus wird Titan vielfach eingesetzt in Tennisschlägern, Badmintonschlägern, Skistöcken, Schneeschaufeln, Bergstöcken, Trekking-Steigeisen, Schlitten, Fechtmasken, Angelruten, Fahrrädern, Brillenfassungen, Essgeschirr, Uhren, Kunsthandwerk und anderen Haushaltsartikeln.

Titan findet ein breites Anwendungsspektrum in der Luft- und Raumfahrt, der Chemie, der Medizintechnik, der Automobilindustrie, der Marine sowie bei Sport- und Alltagsartikeln. Mit dem stetigen Fortschritt von Wissenschaft und Technik und der kontinuierlichen Verbesserung der Werkstoffeigenschaften von Titan wird sich das Anwendungsspektrum von Titan weiter ausdehnen.

Gängige Titanwerkstoffe für die CNC-Bearbeitung

In der CNC-Bearbeitung werden Titan und Titanlegierungen hauptsächlich nach ihrer Zusammensetzung und ihren Anwendungen eingeteilt. Die gängigen Typen sind Titan Grade 1, Titan Grade 2, Titan Grade 3, Titan Grade 4, Titan Grade 5, Titan Grade 6, Titan Grade 7, Titan Grade 23 usw. Wenn Sie mehr über Titan erfahren möchten, dürfen Sie unseren Blog nicht verpassen – Was ist Titan: der ultimative Leitfaden .

Wählen Sie DEK für die Bearbeitung von Titanbauteilen

DEK ist ein professionelles und erfahrenes CNC-Bearbeitungsunternehmen, das auf die Bearbeitung von Titanlegierungen spezialisiert ist. Mit modernsten 5-Achs-Bearbeitungszentren und einem Team aus hochqualifizierten Konstrukteuren und Ingenieuren bieten wir für eine Vielzahl von Branchen eine hochwertige CNC-Bearbeitung von Titanlegierungen zu wettbewerbsfähigen Preisen. Zu unseren Erfolgsprojekten zählen unter anderem Laufräder, Antennenhalterungen und Befestigungselemente.

Fazit

Nach der Lektüre dieses Blogs haben Sie sicherlich ein umfassendes Verständnis von CNC-Bearbeitung von Titangewonnen. Die Bearbeitung von Titan und seinen Legierungen erfordert besondere Aufmerksamkeit und ein feinfühliges Vorgehen, um eine optimale Fertigung des Bauteils zu gewährleisten. Anders als bei gängigen Metallen wie Stahl und Kupfer bringt die Titanbearbeitung eigene Herausforderungen mit sich und erfordert den Einsatz der richtigen Werkzeuge, spezialisierter Techniken und ausreichend Geduld. Aus diesem Grund ist es oft besser, Titan-CNC-Bearbeitungsprojekte an ein spezialisiertes Team wie DEKzu vergeben, wo wir die hohe Qualität und Genauigkeit der Bauteile gewährleisten können.

Häufig gestellte Fragen

Was kostet die CNC-Bearbeitung von Titan?

Die Kosten der CNC-Bearbeitung von Titan hängen von einer Reihe von Faktoren ab, etwa der Komplexität des Bauteils, seiner Größe, den geforderten Toleranzen, der gefertigten Stückzahl und dem verwendeten Titanwerkstoff.

Welche Schneidwerkzeuge werden üblicherweise zur Bearbeitung von Titan eingesetzt?

Werkzeuge aus Schnellarbeitsstahl (HSS); Hartmetall-Wendeschneidplatten; Keramik-Wendeschneidplatten und polykristalline Diamantwerkzeuge (PCD)

Wie hoch ist die Schnittgeschwindigkeit bei Titan?

Bei der CNC-Bearbeitung von Titan werden niedrige Schnittgeschwindigkeiten empfohlen. Höhere Schnittgeschwindigkeiten können die Temperatur an der Werkzeugspitze leicht erhöhen und dadurch das Werkzeug beeinträchtigen.

Verzieht sich Titan bei der Bearbeitung?

Titan kann sich bei der Bearbeitung verziehen, da seine geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Festigkeit zu Wärmestau und Eigenspannungen führen. Eine geeignete Kühlung und Bearbeitungstechnik ist erforderlich, um den Verzug zu minimieren.