티타늄 합금 가공: 성능, 도전 과제 및 모범 사례

티타늄 합금은 항공우주, 의료 및 고성능 자동차 산업에서 매우 중요한 소재입니다. 중량 대비 강도 비율 내식성이 요구됩니다. 그러나 이러한 소재를 성공적으로 가공하려면 특수 공구와 최적화된 CNC 전략. 이 문서에서는 티타늄 가공의 핵심 문제를 자세히 설명하고 효율성과 정밀도를 달성하기 위한 실용적인 전략을 간략하게 설명합니다.

티타늄 가공이란?

티타늄 가공에는 순수 티타늄 또는 그 합금에 적용되는 밀링, 터닝, 드릴링과 같은 감산 제조 공정이 포함됩니다. 이러한 공정은 재료 특성이 가장 중요한 까다로운 애플리케이션을 위한 고정밀 부품을 만드는 데 필요합니다.

• 주요 목표는 복잡한 형상과 엄격한 공차(예: ± 0.015mm)를 포함하는 최종 사양에 맞게 재료를 성형하는 것입니다.
• 가공은 표면 균열과 같은 결함을 피하면서 재료의 무결성을 보존해야 합니다, 알파 케이스 (딱딱하고 부서지기 쉬운 층) 및 과도한 잔류 스트레스.
• 다음과 같은 합금 Ti-6Al-4V (5등급, α + β 합금) 및 Ti-5Al-2.5Sn (α 합금)이 가장 일반적으로 가공되는 변종으로, 각각 약간씩 다른 가공 특성을 나타냅니다.
• 티타늄 소재의 높은 비용과 부품의 중요성 때문에 공정 신뢰성과 최소한의 불량률은 타협할 수 없는 요구 사항입니다.

티타늄 합금의 가공 전략

티타늄 가공의 과제

티타늄의 물리적, 화학적 특성은 작업 현장에서 구체적이고 지속적인 문제로 직결됩니다. 이러한 문제는 생산 비용, 주기 시간, 최종 부품의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.

• 빠른 공구 마모와 치명적인 고장: 열 집중과 화학적 마모 메커니즘이 결합되어 절삭 공구가 매우 빠르고 예측할 수 없는 마모를 일으킵니다. 공구 수명이 단 몇 분에 불과할 수 있어 공구를 자주 교체해야 하고 비용이 많이 듭니다.
• 내마모성이 낮으면 부품당 공구 비용이 증가하고 공구 검사를 위해 공정을 자주 중단해야 합니다.
• 예측할 수 없는 고장으로 인해 부품이 즉시 폐기될 수 있으며, 티타늄 재고의 가격을 고려할 때 비용이 많이 듭니다.
• 표면 무결성 유지 및 오염 방지: 심한 열 및 기계적 응력으로 인해 가공된 부품의 표면층이 손상될 수 있습니다.
• 과도한 열은 국부적인 상 변형을 일으키고 딱딱하고 부서지기 쉬운 알파 케이스 를 표면에 묻히면 피로 수명이 단축되고 추후 제거해야 합니다.
• BUE와 측면 마모로 인해 필요한 표면 마감(보통 Ra 0.8µm~1.6µm)을 달성하는 것은 어렵습니다.
• 칩 관리: 생성된 칩은 뜨겁고 날카로우며 자체, 도구 또는 공작물에 용접되는 경향이 있습니다.
• 칩 배출이 제대로 되지 않으면 재절삭, 열 축적 및 공구 파손의 원인이 됩니다.
• 또한 칩은 부품의 마감 표면을 손상시키거나 냉각수 시스템을 오염시킬 수 있습니다.
• 높은 절삭력과 진동: 재료 강도가 높으면 큰 힘이 필요하므로 휨의 위험이 높아집니다, 잡담 (자체 여기 진동), 공작 기계 및 고정구 수명 단축.
• 공구와 공작물 사이의 상대적인 움직임을 최소화하려면 고정식 고정 장치와 높은 동적 강성의 공작 기계가 필수입니다.
• 열 변형: 밀링 가공 시 국부적인 열과 낮은 강성으로 인해 벽이 얇은 티타늄 부품에 약간의 왜곡이 발생할 수 있습니다. 안정적인 온도와 견고한 고정 장치를 유지하면 이러한 위험을 최소화할 수 있습니다.

티타늄용 절삭 공구

올바른 절삭 공구 재료, 형상 및 코팅을 선택하는 것은 성공적이고 효율적인 티타늄 가공을 위한 가장 중요한 요소입니다. 공구를 선택할 때는 공정의 높은 열과 화학적 반응성을 고려해야 합니다.

• 카바이드 등급: 코팅되지 않은 미세 입자 텅스텐 카바이드(WC) 이 주요 소재 선택입니다. 코발트 함량이 높은 특정 등급(약 10%~12%)은 티타늄에서 흔히 발생하는 기계적 충격과 열 피로에 대한 견고성과 저항력을 제공합니다.
• 카바이드는 높은 열경도와 횡방향 파열 강도를 가져야 합니다.
• PVD 적용 코팅TiAlN(질화 티타늄 알루미늄) 또는 AlTiN과 같은 소재는 열 차단막 역할을 하여 성능을 향상시킬 수 있지만 가장자리 선명도를 유지하려면 얇게 도포해야 합니다.
• 지오메트리 및 레이크 각도: 공구 형상은 과도한 마찰을 발생시키지 않고 열을 관리하고 재료를 효율적으로 전단하도록 설계되었습니다.
• 포지티브 사용 레이크 각도 을 사용하여 절삭력을 줄이고 칩에 열을 직접 전달합니다. 포지티브 지오메트리는 깔끔한 절단을 촉진하고 측면 마찰을 최소화합니다.
• 날카로운 절삭 날은 필수적이므로 반경이 작은 제어된 T-랜드 또는 연마 를 사용하여 선명도와 가장자리 강도의 균형을 맞출 수 있습니다.
• 대형 칩 브레이커 홈은 일반적으로 피하는 대신 효율적인 칩 흐름을 위해 개방형, 광택 처리된 형상을 선호합니다.
• 스타일 및 도구 홀더를 삽입합니다: 인덱서블 인서트는 강도가 높고 안전한 착좌를 위해 선택해야 합니다.
• 둥근 인서트 또는 큰 리드 각도 (예: 45°)는 칩을 얇게 만들고 스핀들에 축 방향으로 힘을 전달하여 공구 수명을 연장하므로 밀링에 매우 효과적입니다.
• 공구 홀더는 최대한의 강성을 제공해야 하며, 종종 수축 맞춤 또는 높은 클램핑력의 유압 척을 사용하여 흔들림을 없애고 진동을 완화합니다.
• 고급 툴링: 황삭 및 대용량 애플리케이션의 경우 특수 소재가 이점을 제공합니다.
• 세라믹 인서트 (특히 질화규소 또는 수염 강화 세라믹)은 황삭 가공에서 상당히 높은 절삭 속도(Vc 150m/min~300m/min)로 작동할 수 있지만, 매우 부서지기 쉬우므로 매우 안정적인 가공 조건과 기계가 필요합니다.
• 다결정 다이아몬드(PCD) 은 순수한 비합금 티타늄에는 매우 효과적이지만 일반적으로 다음과 같은 마모성 티타늄 합금에는 적합하지 않습니다. Ti-6Al-4V 화학적 마모로 인해

권장 툴링 설정

• α + β 합금의 일반 가공에는 PVD 코팅된 미세 입자 카바이드(TiAlN / AlTiN)를 사용합니다.
• 설정이 매우 견고한 경우 고속 마감을 위한 Si₃N₄ 세라믹 인서트.
• PCD 순수 티타늄 또는 초미세 표면 마감이 필요한 복합 부품용 공구입니다.
• 유압식 또는 수축식 홀더 및 관통 냉각수(70bar~100bar)와 결합하여 최적의 안정성을 제공합니다.

티타늄 CNC 가공 공정

예, 티타늄 합금은 다음과 같습니다. CNC 가공 속도, 이송, 냉각수 공급, 기계 강성을 정밀하게 제어할 수 있다면 더욱 효과적입니다. 성공 CNC 가공 의 저속, 고속, 공격적이고 일관된 적용 전략에 의존합니다. 고압 냉각수 (HPC). 공정 매개변수는 최대 재료 제거율(MRR)보다 열 제어에 우선순위를 두어야 합니다.

냉각 및 윤활 전략

• 고압 냉각수(HPC): 절삭 영역에서 칩을 날려버리고 집중된 열을 제거하려면 고압(70bar~100bar)의 절삭유를 사용해야 합니다.
• HPC는 또한 칩 브레이킹을 돕고 재절단을 방지합니다.
• 수용성 오일(에멀젼)은 선호되는 냉각수 유형으로 합성 오일에 비해 우수한 윤활 및 열 전달 성능을 제공합니다.
• 도구 통과 냉각수: 공구 홀더와 절삭 공구의 채널을 통해 절삭유를 직접 전달하면 작업 지점(절삭날)에 정밀하게 도포할 수 있습니다.

절단 매개변수 최적화

• 낮은 절단 속도(Vc): 가장 중요한 매개변수는 절단 속도입니다. 낮은 열전도율은 열을 가두기 때문에 빠른 열 마모와 750°C의 플래시 온도를 방지하려면 낮은 Vc가 필수적입니다.
• 러프닝에 권장되는 범위 Ti-6Al-4V 탄화물은 일반적으로 Vc 40-60m/분.
• 높은 피드 속도(fz): 상대적으로 높은 칩 부하(치아당 이송량, fz)를 사용하여 두꺼운 칩으로 열이 일관되게 전달되도록 하여 공구 측면의 열 노출을 최소화합니다.
• 칩 두께가 노즈 반경 또는 절삭날 준비물을 초과해야 깨끗하게 절단할 수 있습니다.
• 뎁스 오브 컷(ap): 일관되고 깊은 방사형(ae) 또는 축 방향(ap) 유지 컷 깊이 를 측면 마모면보다 크게 설정합니다. 이렇게 하면 공구가 딱딱해진 부분을 문지르지 않고 깨끗하고 새로운 영역에서 절단할 수 있습니다.
• 트로코이드 밀링 및 고효율 밀링(HEM) 기술은 풀에이피와 로우에이피를 사용하여 일정하고 낮은 방사형 칩 맞물림을 유지하여 열 변동을 줄이는 밀링에 효과적입니다.

머신 툴 및 설정 요구 사항

• 머신 강성: 고출력, 고강성 사용 CNC 기계 무거운 구조(예: 박스 방식)와 견고한 스핀들. 기계는 간헐적으로 발생하는 높은 절삭력을 흐트러짐 없이 흡수할 수 있어야 합니다.
• 고정: 과도하게 설계된 고정 장치 는 진동을 완화하고 공작물의 움직임을 방지하는 데 필요합니다. 최소한의 공구 오버행을 사용하여 시스템 강성을 극대화하고 채터 주파수를 작동 범위 이상으로 높입니다.
• 모니터링 및 적응형 제어: 실시간 공구 마모 모니터링을 위한 시스템 구현(예: 음향 방출 또는 힘 센서) 및 적응형 제어 스핀들 부하에 따라 이송 속도를 자동으로 조정하여 공구 수명의 일관성을 보장하고 갑작스러운 고장을 방지합니다.
• 밀링 전략(상승 대 기존): 클라이밍 밀링 공구가 최대 칩 두께로 재료에 들어가 아래쪽으로 절삭하여 마찰 효과를 줄이고 BUE의 위험을 최소화하기 때문에 강력히 권장됩니다.

티타늄 가공에 대한 일반적인 질문

다음은 제조 팀에서 티타늄 합금 가공에 대해 가장 자주 묻는 질문에 대한 빠른 답변입니다.

티타늄은 가공이 어렵나요?

예 - 열전도율이 낮고 강도가 높기 때문에 열이 축적되고 공구가 빠르게 마모되어 효율적인 절삭이 어렵습니다.

티타늄을 CNC 가공할 수 있나요?

당연하죠. 견고한 기계, TiAlN 코팅 카바이드 공구, 그리고 고압 냉각수 (70bar - 100bar), 정밀도 CNC 가공 뛰어난 정확도와 표면 마감을 달성합니다.

티타늄 절단에 가장 적합한 도구는 무엇인가요?

미세 입자 탄화물(TiAlN / AlTiN)이 가장 일반적이며, 세라믹 또는 PCD 는 특수 성적에 사용됩니다.

티타늄 가공이 비싼 이유는 무엇인가요?

공구 수명이 짧고 절삭 속도가 느리지만, 티타늄은 무게 대비 강도와 내식성이 뛰어나 항공우주 및 의료 분야에 비용 효율적입니다.

결론

티타늄 합금 가공은 복잡하고 리스크가 큰 엔지니어링 작업으로, 성공 여부는 꼼꼼하고 세심한 프로세스 제어전문화된 툴링, 재료의 열적 및 화학적 거동에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 낮은 절삭 속도, 높은 이송, 공격적인 절삭 원칙을 준수함으로써 고압 냉각수제조업체는 견고한 포지티브 형상의 초경 공구를 사용하여 빠른 마모와 고열이라는 핵심 과제를 완화할 수 있습니다. 그 결과 최적화된 CNC 전략 까다로운 공정을 핵심 산업에서 요구하는 무결성 높은 부품을 생산할 수 있는 안정적이고 효율적인 운영으로 전환합니다. 부품 품질과 공구 수명을 보장하면서 소재 제거율을 극대화하려면 공정 전문 지식이 무엇보다 중요합니다. 티타늄 가공은 강철이나 알루미늄보다 툴링 및 재료 비용이 높지만, 티타늄의 우수한 성능은 핵심 부품에 대한 투자를 정당화합니다.

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