鈦合金因為超輕材質、高強度與抗腐蝕特性的 3 大特性，在航空航天、醫療、汽車等高端領域扮演著舉足輕重的角色。
但是，鈦合金的物理和化學性質也為CNC加工帶來了巨大的挑戰，贏得了「難切削材料」的稱號！
身為專業的銑刀製造商，我們深知攻克鈦合金加工的關鍵在於深入了解它的特性、選擇適合的刀具與切削參數與手法。本文將帶你瞭解鈦合金的物理與化學性質、優缺點，以及這些特性如何影響加工效率。
鈦合金的基本特性
鈦合金，結合了多種金屬元素的合金，主要以鈦為基底，加入如鋁、釩等其他元素來增強其性能。以下是鈦合金的物理和化學性質、優缺點，以及這些特性如何影響加工過程的詳細介紹：
鈦合金的 3大物理和化學性質
- 高強度與低密度：鈦合金的高強度極，但是它的密度低，重量只有鋼的60%。這使鈦合金在需要減輕重量的應用中非常有價值，如航空航天和高性能汽車製造，滿足高強度但輕量的需求。
- 優異的抗腐蝕性：鈦合金對海水與多種化學介質，在表面能迅速形成一層穩定的氧化物保護膜，具有極高的抗腐蝕性。
- 高熔點：鈦合金的熔點高達1668°C（3034°F），這使得它在高溫應用中，如發動機部件和耐高溫設備中特別有用。
鈦合金優點
- 卓越的強度重量比： 在相同重量下，鈦合金能提供比鋼和鋁更高的強度。結合高強度與低重量，鈦合金對提高結構效率和燃油經濟性有重大貢獻。
- 生物相容性：鈦合金不會與人體組織或體液產生反應，使其成為製造人工關節和牙科植體的理想選擇。
- 耐極端環境：可在極端環境下工作，不論是深海還是太空，鈦合金的性能都非常穩定。
鈦合金缺點
- 加工困難：鈦合金的硬度高且熔點高，常規加工可能會造成工具磨損大，加工成本相對較高。
- 成本高：鈦礦石的提取和精煉過程複雜，導致鈦合金的原料和生產成本高於許多其他金屬。
- 彈性模量較低：鈦合金的彈性模量較低，在加工壓力下可能會有較大的彈性變形，這可能會影響加工精度和表面質量。
鈦合金CNC加工常見挑戰
鈦合金在CNC加工中面臨的挑戰主要源於其獨特的物理和化學性質。以下是幾個鈦合金在CNC加工時常見的挑戰：
- 工具磨損：
- 鈦合金的硬度高，尤其是在高溫條件下，這會導致快速的刀具磨損和縮短刀具壽命。為了減少磨損，需要使用高性能的刀具材料，如碳化鎢或涂層刀具。
- 切削溫度控制：
- 鈦合金的導熱率低，在切削過程中產生的熱量難以快速散失，會集中在切削區域，導致局部溫度升高，會導致刀具過熱，工件材料軟化以及切削屑黏附在刀具上，影響表面精度與刀具壽命。因此，有效的冷卻和潤滑非常重要。
- 加工精度：
- 鈦合金的彈性模量相對較低，在切削力作用下，工件容易產生彈性變形與和振動，會影響到表面精度與刀具壽命。因此，需要確保工件夾持的剛性和採用精確的切削策略以減少振動和變形
- 化學反應性：
- 鈦合金在高溫下易與刀具材料發生化學反應，這會進一步加速工具磨損。選擇適合的刀具材料和塗層可以幫助減少這種影響。
- 加工效率：
- 由於需要在較低的切削速度下操作以避免過熱和過度磨損，這限制了加工效率。提高效率通常需要優化切削參數和使用先進的CNC機床。
- 加工成本：
- 鈦合金的加工難度導致整個加工過程的成本提高，包括刀具消耗、機床磨損和生產速度降低。
為了有效應對這些挑戰，CNC加工時需采用專門的策略和技術，例如使用多軸機床進行複雜形狀的加工，選擇適合的刀具幾何和切削參數，以及應用高效的冷卻和潤滑系統。這些措施有助於提高鈦合金的加工質量，延長工具壽命，並最終降低生產成本。
鈦合金的CNC加工的解決方案
針對上面鈦合金在CNC加上會遇到的各種挑戰，匯整相對應可執行的解決方案：
| 鈦合金加工挑戰 | 解決方案 |
| 高工具磨損 | 使用高性能刀具如碳化鎢、鈷合金或陶瓷刀具；刀具採用耐磨性和抗粘附的塗層，如TiAlN或ZrN-A；選擇不等分割或不等螺旋的刀具幾何設計。 |
| 切削溫度過高 | 降低切削速度，增加進給率，適當調整切削深度；使用高壓冷卻液或進行冷卻劑直接噴射。 |
| 化學反應和粘著 | 使用不易與鈦合金化學反應的刀具材料，如陶瓷刀具；刀具表面處理，如鉻或鉑的鍍層。 |
| 加工效率低下 | 利用多軸CNC機床進行加工；使用高進給率切削（HFR）技術。 |
| 成本問題 | 通過優化整個加工工藝減少無效操作；實施預測性維護計劃，定期檢查和維護設備。 |
這個表格列出常見鈦合金在CNC加工常見問題的具體解決策略，有助於改善鈦合金的加工效率和質量，同時控制成本和提高生產效益。
鈦合金CNC加工刀具選擇
PVR1T 4刃鈦合金專用圓鼻立銑刀
這款立銑刀採用鋯氮（ZrN-A）塗層，提供極佳的耐磨性和抗粘附性，這對於加工粘性較高的鈦合金尤為重要。鈦合金加工時產生的高熱容易導致刀具磨損和材料粘附，ZrN-A塗層能有效降低這些問題。
| 鈦合金加工專用銑刀 | PVR1T 4刃鈦合金專用圓鼻立銑刀 |
| 刃徑 | 4mm~20mm |
| 刃長 | 8mm~39mm |
| 刃數 | 4 |
| 塗層 | ZrN-A |
| 幾何設計 | 不等分割、不等螺旋、雙溝底 |
| 刀具特色 | 有效抗震、增加200%壽命 |
| 適用材質 | 30~50HRC、鈦合金、鎳基合金 |
| 規格下載 | 詳細規格下載 Spec. Download |
| 切削參數下載 | 切削參數下載 Cutting Condition Download |
PNVE1T 鈦合金專用有頸立銑刀
這款有頸的設計可以增加刀具的剛性，減少加工時的振動，這對於精密加工鈦合金非常有幫助。使用ZrN-A塗層進一步增強了耐磨性，保護刀具免受鈦合金加工中常見的極端磨損。
| 鈦合金加工專用銑刀 | PNV1T 鈦合金專用有頸立銑刀 |
| 刃徑 | 4mm~16mm |
| 刃長 | 6mm~24mm |
| 刃數 | 4 |
| 塗層 | ZrN-A |
| 幾何設計 | 不等分割、不等螺旋、雙溝底 |
| 刀具特色 | 有效抗震、增加200%壽命 |
| 適用材質 | 30~50HRC、鈦合金、鎳基合金 |
| 規格下載 | 詳細規格下載 Spec. Download |
| 切削參數下載 | 切削參數下載 Cutting Condition Download |
PVE1T 4刃鈦合金專用立銑刀
這款立銑刀專為鈦合金設計，同樣採用ZrN-A塗層，適合長時間高負荷的加工。四刃設計使得切削更加穩定和高效，特別是在進行重切削或粗加工鈦合金時。
| 鈦合金加工專用銑刀 | PVE1T 4刃鈦合金專用立銑刀 |
| 刃徑 | 4mm~20mm |
| 刃長 | 8mm~62mm |
| 刃數 | 4 |
| 塗層 | ZrN-A |
| 幾何設計 | 不等分割、不等螺旋、雙溝底 |
| 刀具特色 | 有效抗震、增加200%壽命 |
| 適用材質 | 30~50HRC、鈦合金、鎳基合金 |
| 規格下載 | 詳細規格下載 Spec. Download |
| 切削參數下載 | 切削參數下載 Cutting Condition Download |
鈦合金加工實蹟案例
這是使用鈦合金專用銑刀，實際加工的影片，詳細列出鈦合金工件材質、刀具型號、加工方式、切削速度、轉速、切深、進給量、CNC機台、與潤滑液及冷卻方式等所有數據：
Titanium Nickel / Inconel Alloy Series 鈦利嗨系列
使用鈦合金專用銑刀的加工效益
- 切削長度是他牌銑刀的３倍！銑刀壽命增加200%！
- 有效減少加工時產生的震顫，銑削出良好的加工表面！
鈦合金加工的關鍵總結
- 鈦合金在CNC加工時因硬度高及熱導率低導致工具磨損快速，需要特殊刀具和精確的加工策略。
- 鈦合金加工時，刀具因高硬度和熱導率低易快速磨損，增加更換頻率及成本。
- 選用碳化鎢或陶瓷刀具，並採用TiAlN或ZrN-A塗層，提高刀具壽命並減少磨損。
- 降低切削速度、增加進給率，並使用高壓冷卻液，有效控制加工溫度，提升加工精度和效率。
更多有關鈦合金加工的參考資料
- The Ambitious Challenge of Working With TITANIUM
- fabrication of titanium and titanium alloys
- TITANIUM ALLOY GUIDE
- In-depth study and optimization of grinding technology in titanium alloy forging process
- Classification and applications of titanium and its alloys