تیتانیوم به‌عنوان یکی از فلزات استراتژیک با ویژگی‌هایی نظیر استحکام بالا، وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی و زیست‌سازگاری، در صنایع پیشرفته‌ای مانند هوافضا، پزشکی، خودروسازی و دریایی کاربرد گسترده‌ای دارد. ماشین‌کاری CNC به‌عنوان یکی از روش‌های دقیق و پیشرفته برای تولید قطعات تیتانیومی، نقش مهمی در بهره‌برداری از این فلز ایفا می‌کند.
ویژگی‌های تیتانیوم
تیتانیوم دارای وزن مخصوص پایین (حدود 4.5 گرم بر سانتی‌متر مکعب)، مقاومت کششی بالا (حدود 900 مگاپاسکال در آلیاژ Ti‑6Al‑4V) و مقاومت به خوردگی عالی در محیط‌های دریایی و اسیدی است. این فلز ضریب هدایت حرارتی پایینی (~6.7 W/m·K) دارد که منجر به تمرکز حرارت در ناحیه برش و افزایش سایش ابزار می‌شود. همچنین، ضریب انبساط حرارتی بالای تیتانیوم نیازمند کنترل دقیق دما و پارامترهای ماشین‌کاری است.
فرآیندهای ماشین‌کاری CNC
تراشکاری CNC
در تراشکاری، قطعه تیتانیومی حول محور خود می‌چرخد و ابزار ثابت آن را شکل می‌دهد. سرعت برش معمولاً بین 150 تا 250 SFM برای عملیات زنی و حدود 250 تا 400 SFM برای پرداخت انتخاب می‌شود. عمق برش پایین و میزان پیشروی کم (0.003–0.007 اینچ بر گام) به کاهش خزش ابزار و ارتعاش کمک می‌کند. استفاده از ابزارهای با پوشش یونی و کاربید با کیفیت بالا عمر ابزار را افزایش می‌دهد .
فرزکاری CNC
فرزکاری تیتانیوم شامل استفاده از ابزارهای چند لبه است. خوراک به‌طور معمول 0.0015–0.004 اینچ بر دندان و سرعت برش حدود 60 متر بر دقیقه در عملیات زنی است. تنظیم خوراک بالا و سرعت پایین، همراه با خنک‌کننده پر فشار برای دفع چیپ و کنترل دما ضروری است. استراتژی‌هایی مانند تراورس افزایشی و برش متناوب (trochoidal milling) به کاهش نیروی برشی و افزایش عمر ابزار کمک می‌کند.
سوراخکاری و سایر فرآیندها
سوراخکاری تیتانیوم نیازمند مته‌های با لبه نسبتاً تند و خنک‌کننده قوی است. سرعت برش حدود 100–150 SFM و عمق برش کم کمک می‌کند تا از جوش‌خوردن چیپ به ابزار جلوگیری شود. برای حفر سوراخ‌های دقیق و با تلرانس بالا، عملیات بورینگ در پس‌پرداخت سوراخ انجام می‌شود.
چالش‌ها و راه‌حل‌ها
هدایت حرارتی پایین
تمرکز حرارت در ناحیه برش باعث سایش سریع ابزار می‌شود.
راه‌حل: استفاده از خنک‌کننده پر فشار (حداقل 70 بار) و ابزارهای با پوشش ویژه برای دفع حرارت.
واکنش‌پذیری با ابزار
آلیاژ تیتانیوم تمایل دارد به ابزار بچسبد و باعث سازه‌سازی روی لبه ابزار شود.
راه‌حل: استفاده از پوشش‌های کاربیدی تنگستن و دی‌نیترید سیلیکون برای کاهش چسبندگی.
ارتعاش و خزش ابزار
نیروی برشی بالا منجر به ارتعاشات ناخواسته می‌شود.
راه‌حل: کاهش عمق برش و حجم چیپ، به‌کارگیری استراتژی‌های تراش افزایشی و استفاده از ماشین‌های CNC با استحکام بالا.
هزینه بالا
تیتانیوم و ابزارهای مورد نیاز گران‌قیمت‌اند.
راه‌حل: بهینه‌سازی پارامترها برای کاهش دورریز مواد و افزایش عمر ابزار، بهره‌گیری از چاپ سه‌بعدی برای پیش‌شکل‌دهی قطعات.
کاربردهای صنعتی
- هوافضا: تولید پره‌های توربین و اجزای ساختاری که نیاز به مقاومت حرارتی و استحکام بالا دارند.
- خودروسازی: قطعات عملکردی در خودروهای مسابقه‌ای که کاهش وزن و مقاومت مکانیکی اهمیت دارد.
- پزشکی: تولید ایمپلنت‌های پیشرفته مانند پیچ و پلاک استخوانی؛ بیوسازگاری تیتانیوم این امکان را می‌دهد که با بدن سازگاری داشته باشد.
- دریایی: قطعات مقاوم در برابر خوردگی آب شور مانند پمپ‌ها و اتصالات دریایی.
نکات عملی برای بهینه‌سازی تولید
- انتخاب ابزار مناسب: ابزارهای الماسه یا کاربید با پوشش DLC یا TiAlN بهترین گزینه‌اند.
- برنامه‌ریزی مسیر ابزار: استفاده از CAM برای بهینه‌سازی مسیر و کاهش زمان ماشین‌کاری.
- کنترل دما و لرزش: مانیتورینگ دما و ارتعاش به کمک حسگرهای تعبیه‌شده در دستگاه CNC.
- بازبینی مداوم پارامترها: تنظیم سرعت و خوراک براساس نتایج عملی و داده‌های تولید.
نتیجه‌گیری
تیتانیوم با ویژگی‌هایی نظیر نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت به خوردگی و خواص حرارتی مطلوب، ماده‌ای ایده‌آل برای تولید قطعات صنعتی حساس است. ماشین‌کاری CNC این ماده چالش‌هایی دارد؛ اما با انتخاب ابزار و پارامترهای مناسب و بهره‌گیری از فناوری‌های نوین، می‌توان قطعات با دقت و کیفیت بالا تولید کرد. تولید بهینه قطعات تیتانیومی نیازمند درک عمیق ویژگی‌های ماده، تسلط بر تکنیک‌های CNC و استفاده از راه‌حل‌های خلاقانه در مواجهه با چالش‌هاست.
