Медицинская, хирургическая и высокопроизводительная автомобильная промышленность проявляют большой интерес к титану благодаря его соотношению прочности и веса, которое не имеет аналогов среди других металлов. Это означает, что титановые детали помогают самолетам летать дальше, чем когда-либо; гоночные автомобили проходить повороты быстрее, а имплантируемые медицинские устройства работать внутри человеческого организма без осложнений. Хотя требования к медицинским титановым крепежам, биосовместимым титановым болтам и хирургическим титановым болтам более строгие, чем к обычным металлическим крепежам, проблемы обработки титана из-за его уникальной атомной структуры столь же сложны, как и обработка таких металлов, как свинец. Сочетание высокой прочности и отличной коррозионной стойкости создает очень сложные условия для механической обработки титана в легкие прецизионные крепежные элементы. В этой статье подробно описаны шаги, необходимые для достижения правильного сочетания этих характеристик и создания высокопроизводительных, долговечных компонентов с использованием титановых крепежей для имплантатов, титановой фурнитуры для медицинских устройств и биосовместимых крепежных решений, применяемых в ортопедии, позвоночнике и сердечно-сосудистых устройствах.
Титан ведет себя не так, как сталь или алюминий на производственном участке. Его уникальный металлургический состав противодействует режущему инструменту, что часто приводит к быстрому нагреву и разрушению материала. Производите ли вы болты из титана марки 5, крепежи из титана марки 2 или медицинские винты Ti-6Al-4V, применяются одни и те же физические законы.
С точки зрения свойств материала, относящихся к разрушительной обработке, титан является лучшим материалом по реакционной способности; однако основным недостатком титана для разрушительных процессов обработки является низкая теплопроводность титана. При резке стали значительная часть тепла, выделяемого трением, уходит вместе со стружкой. При резке титана режущая кромка остается в контакте с титаном, и поэтому тепло, выделяемое трением, остается на режущей кромке. Экстремальная локализованная температура на режущей кромке вызывает две основные проблемы во время операций резания: приваривание стружки и преждевременный износ инструмента.
При повышенных температурах титан очень химически активен. Существует химическая реакция между инструментом и титаном, когда титан соединяется с режущим инструментом из-за повышения температуры режущего инструмента. Это создает условия для образования нароста на режущей кромке (BUE). При образовании нароста режущий инструмент теряет свою режущую способность, качество поверхности крепежа становится шероховатым, и в конечном итоге инструмент полностью выходит из строя. Для титановых болтов, устойчивых к коррозии и используемых в морских или имплантационных целях, поддержание целостности поверхности является обязательным.
Одной из проблем при обработке титана является его способность к наклепу. Когда режущий инструмент режет титан, материал, непосредственно прилегающий к режущему инструменту, подвергается пластической деформации. Вместо того чтобы чисто срезаться при прохождении режущего инструмента через заготовку, титан относительно быстро после резки становится твердым и, следовательно, хрупким. Это особенно критично при микрообработке титана или обработке титановых винтов малого диаметра, где высокая сила резания концентрируется на очень малой площади.
Если не применить правильный подход к резанию, упрочненный слой титана образует стенку для следующего прохода, и следующий проход будет сложнее первого. Это увеличивает силу резания, необходимую для обработки заготовки. Если ваша станковая установка не обладает необходимой жесткостью или крутящим моментом для проталкивания режущего инструмента через заготовку, режущий инструмент будет вибрировать об упрочненный слой, что приведет к несоответствиям размеров и низкому качеству резьбы.
При обработке титана крайне важно иметь жесткий станок. Из-за вязкости титана силы резания на режущем инструменте очень высоки. Если в станке или зажимном приспособлении есть любая гибкость, станок будет вибрировать.
Вибрация вредна для поддержания жестких допусков. При обработке легких крепежных элементов резьба должна быть точно нарезана, чтобы избежать задиров при установке крепежа. Возникновение вибрации при обработке создает микротрещины в материале, что значительно снижает усталостный ресурс крепежа. Хороший подход к контролю вибрации при обработке титана с жесткими допусками — поддерживать минимально возможный вылет инструмента и использовать очень жесткие приспособления для уменьшения влияния вибрации. Контроль вибрации необходим для высокоточной обработки титана.
Режущий инструмент — ваша основная линия защиты от суровых реалий титана. Вы не можете использовать стандартный стальной инструмент для этой задачи и ожидать результатов.
Твердый сплав (карбид) — наиболее распространенный материал для обработки титана. При выборе марки твердого сплава следует выбирать ту, которая имеет хороший баланс между ударной вязкостью и термостойкостью. Микрозернистые сорта твердого сплава лучше всего подходят для этой задачи, так как они дольше сохраняют кромку и противостоят термической усталости, приводящей к выкрашиванию инструмента.
Хотя существуют керамические и поликристаллические алмазные (PCD) инструменты, эти материалы обычно слишком хрупки для прерывистых операций резания, необходимых при производстве крепежа. Керамика может работать на высоких скоростях, но обычно плохо справляется с вибрацией, возникающей при изготовлении сложной резьбы малого диаметра. В результате твердый сплав является лучшим выбором с точки зрения надежности и стабильности. Это особенно верно для изготовленных на станках с ЧПУ по швейцарской технологии болтов по индивидуальному заказу и прецизионных токарных операций по швейцарской технологии.
Стандартная геометрия инструмента быстро выйдет из строя при резке титана. Необходимо изменить конструкцию, чтобы минимизировать тепловыделение и трение при резке титана:
Большие передние углы (+Передние углы) поднимают стружку с поверхности заготовки, уменьшая силы резания.
Увеличенные задние углы (с) не позволяют задней части инструмента тереться об упрочненный материал.
Стружколомы скручивают и ломают стружку до того, как она станет длинной и вязкой.
Использование покрытий, таких как нитрид алюминия и титана (AlTiN), идеально подходит для этой задачи, так как они создают тепловой барьер, защищающий инструмент из твердого сплава от тепла, образующегося на границе обработки. Избегайте использования непокрытых инструментов, так как они будут иметь более высокое химическое сродство к титану, чем покрытые, и подвергнутся преждевременному износу.
Управление скоростью важнее, чем максимальная скорость. Титан плохо реагирует на очень высокие скорости резания, которые генерируют слишком много тепла. Вместо этого используйте меньшую поверхностную скорость (SFM) в сочетании с агрессивной подачей на зуб.
Подача на зуб: Поддерживайте скорость подачи достаточно высокой, чтобы инструмент всегда резал свежий материал, а не терся об упрочненную поверхность.
Глубина резания: Всегда следите за тем, чтобы глубина резания была больше, чем упрочненный слой, созданный предыдущим проходом.
Интервал замены инструмента: Внимательно отслеживайте ресурс инструмента. Если вы видите ухудшение качества поверхности, замените инструмент до того, как он выкрошится. Изношенный инструмент создает больше тепла, что делает титан более твердым, ускоряя цикл отказа.
Термическое управление — это разница между высококачественной деталью и кучей брака. Вы должны отводить тепло до того, как оно повлияет на инструмент или заготовку.
Традиционного заливного охлаждения часто недостаточно для титана. Тепло образуется именно в месте контакта инструмента с деталью, и заливная охлаждающая жидкость часто испаряется или отклоняется, не достигая этой точки.
Подача охлаждающей жидкости под высоким давлением через шпиндель (HPPS) является золотым стандартом. Подавая жидкость непосредственно в зону резания под высоким давлением, вы достигаете двух целей: тепло мгновенно отводится, а стружка принудительно удаляется. Если стружка остается, она перерезается, что создает больше тепла и портит целостность поверхности. Для титановых крепежей, обработанных на швейцарских токарных станках, и прецизионных точеных титановых деталей HPPS обязательна.
Выбор правильной формулы охлаждающей жидкости имеет решающее значение для смазывающей способности. Вам нужна охлаждающая жидкость, обеспечивающая высокую смазку, чтобы предотвратить приваривание титана к инструменту.
Синтетические охлаждающие жидкости: Они отлично подходят для теплоотвода, но иногда им не хватает смазывающей способности, необходимой для предотвращения приваривания стружки.
Полусинтетические охлаждающие жидкости: Они часто обеспечивают наилучший баланс. Они содержат достаточно масла для улучшения смазки, сохраняя при этом термические свойства водных составов.
Всегда контролируйте концентрацию охлаждающей жидкости. Если смесь слишком жидкая, вы теряете смазку; если слишком густая — теряете охлаждающую способность.
В некоторых случаях сухая обработка или MQL (минимальное количество смазки) могут превзойти стандартные охлаждающие жидкости. Криогенная обработка с использованием жидкого азота является более новым подходом. Она замораживает материал на режущей кромке, что не позволяет титану достигать температур, при которых он становится липким и реакционноспособным. Это значительно продлевает срок службы инструмента и может привести к превосходному качеству поверхности, хотя требует специализированного оборудования и протоколов безопасности.
Создание крепежа требует большего, чем просто удаление материала. Вы создаете структурный компонент, который должен выдерживать экстремальные нагрузки и вибрацию. Это особенно верно для ортопедических титановых винтов, крепежей для зубных имплантатов, титановых болтов для фиксации позвоночника, крепежей для сердечно-сосудистых устройств, титановых винтов для медицинских инструментов и титановой фурнитуры для про
Английский 
日本語 
한국어 
français 
Deutsch 
Español 
русский 
العربية 
