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Die medizinische, chirurgische und die Hochleistungs-Automobilindustrie haben ein starkes Interesse an Titan aufgrund seines Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, das von anderen Metallen unübertroffen ist. Das bedeutet, dass Titanbauteile Flugzeuge weiter fliegen lassen als je zuvor, Rennwagen schneller durch Kurven fahren und implantierte medizinische Geräte komplikationslos im menschlichen Körper funktionieren. Während die Anforderungen an medizinische Titanbefestigungen, biokompatible Titanbolzen und chirurgische Titanbolzen strenger sind als bei normalen Metallbefestigungen, sind die Herausforderungen bei der Bearbeitung von Titan aufgrund seiner einzigartigen Atomstruktur genauso schwierig wie die Bearbeitung von Metallen wie Blei. Die Kombination aus hoher Festigkeit und hervorragender Korrosionsbeständigkeit schafft eine sehr anspruchsvolle Umgebung, um Titan in leichte, präzise Befestigungselemente zu bearbeiten. Dieser Artikel erläutert die notwendigen Schritte, um die richtige Mischung dieser Eigenschaften zu erreichen und hochleistungsfähige, langlebige Komponenten unter Verwendung von Titanbefestigungen für Implantate, Titan-Hardware für medizinische Geräte und biokompatible Befestigungslösungen für Orthopädie, Wirbelsäule und Herz-Kreislauf-Geräte herzustellen.
Titan verhält sich in der Werkstatt nicht wie Stahl oder Aluminium. Seine einzigartige metallurgische Zusammensetzung bekämpft das Schneidwerkzeug, was oft zu schnellem Hitzestau und Materialverschlechterung führt. Egal, ob Sie Grade 5 Titanbolzen, Grade 2 Titanbefestigungen oder Ti-6Al-4V medizinische Schrauben herstellen, dieselben physikalischen Gesetze gelten.
In Bezug auf die Materialeigenschaften bei zerstörender Bearbeitung ist Titan das beste Material in Bezug auf Reaktivität; der Hauptnachteil von Titan für zerstörende Bearbeitungsprozesse ist jedoch die geringe Wärmeleitfähigkeit von Titan. Wenn Sie Stahl schneiden, wird ein erheblicher Teil der durch Reibung erzeugten Wärme mit den Spänen abgeführt. Beim Schneiden von Titan bleibt die Werkzeugschneide in Kontakt mit dem Titan, und daher bleibt die durch Reibung erzeugte Wärme an der Schneidkante. Die extreme lokale Temperatur an der Schneidkante verursacht zwei Hauptprobleme während der Schneidvorgänge: Aufschweißen von Spänen und vorzeitigen Verschleiß des Werkzeugs.
Bei erhöhten Temperaturen ist Titan chemisch sehr reaktiv. Es gibt eine chemische Reaktivität zwischen dem Werkzeug und dem Titan, wenn das Titan aufgrund des Anstiegs der Schneidwerkzeugtemperatur an das Schneidwerkzeug bindet. Dies schafft die Bedingung für die Bildung einer Aufbauschneide (BUE). Wenn sich eine BUE bildet, verliert das Schneidwerkzeug seine Schneidfähigkeit, die Oberflächengüte der Befestigung wird rau und letztendlich versagt das Werkzeug vollständig. Bei Titanbolzen, die korrosionsbeständig und für Marine- oder Implantatanwendungen verwendet werden, ist die Aufrechterhaltung der Oberflächenintegrität zwingend erforderlich.
Eines der Probleme bei der Bearbeitung von Titan ist die Kaltverfestigungseigenschaft von Titan. Wenn ein Schneidwerkzeug Titan schneidet, durchläuft das Material unmittelbar neben dem Schneidwerkzeug eine plastische Verformung. Anstatt sauber zu scheren, wenn das Schneidwerkzeug durch das Werkstück läuft, wird das Titan relativ schnell nach dem Schneiden gehärtet und damit spröde. Dies ist besonders kritisch bei der Mikrobearbeitung von Titan oder der Bearbeitung von Titanschrauben mit kleinem Durchmesser, wo hohe Schnittkräfte auf eine sehr kleine Fläche konzentriert sind.
Wenn Sie keinen geeigneten Schneidansatz wählen, bildet die gehärtete Schicht des Titans eine Wand für Ihren nächsten Schnitt, und daher wird der nächste Schnitt schwieriger als der erste. Dies erhöht die erforderliche Schnittkraft zum Schneiden des Werkstücks. Wenn Ihre Maschinenkonfiguration nicht die erforderliche Steifigkeit oder das erforderliche Drehmoment aufweist, um das Schneidwerkzeug durch das Werkstück zu drücken, vibriert das Schneidwerkzeug gegen die gehärtete Schicht, was zu Maßabweichungen und schlechter Gewindequalität führt.
Bei der Bearbeitung von Titan ist eine steife Maschine entscheidend. Aufgrund der Zähigkeit von Titan sind die Schnittkräfte auf das Schneidwerkzeug sehr hoch. Wenn es eine Flexibilität in der Maschine oder der Werkstückhalterung gibt, vibriert die Maschine.
Vibrationen sind nachteilig für die Einhaltung enger Toleranzen. Bei der Bearbeitung von leichten Befestigungselementen müssen die Gewinde genau geschnitten werden, um ein Fressen beim Einbau der Befestigung zu vermeiden. Das Einbringen von Rattern in die Befestigung erzeugt Mikrorisse im Material, was die Ermüdungslebensdauer der Befestigung stark reduziert. Ein guter Ansatz, um Vibrationen bei der Bearbeitung von Titan mit enger Toleranz zu kontrollieren, ist die kürzestmögliche Werkzeugüberhanglänge und die Verwendung sehr steifer Vorrichtungen, um die Auswirkungen von Vibrationen zu reduzieren. Die Vibrationskontrolle ist für die Hochtoleranzbearbeitung von Titan unerlässlich.
Das Schneidwerkzeug ist Ihre erste Verteidigungslinie gegen die harten Realitäten von Titan. Sie können für diese Anwendung keine Standardstahlwerkzeuge verwenden und Ergebnisse erwarten.
Hartmetall ist das am häufigsten verwendete Material für die Titanbearbeitung. Bei der Auswahl einer Hartmetallsorte möchten Sie eine wählen, die eine gute Balance zwischen Zähigkeit und Hitzebeständigkeit aufweist. Mikrokorn-Hartmetallsorten funktionieren für diese Anwendung am besten, da sie ihre Schneide länger behalten und der thermischen Ermüdung widerstehen, die zu Werkzeugausbrüchen führt.
Obwohl es Werkzeuge aus Keramik und polykristallinem Diamant (PKD) gibt, sind diese Materialien typischerweise zu spröde für die unterbrochenen Schneidvorgänge, die bei der Befestigungsproduktion erforderlich sind. Während Keramik hohe Geschwindigkeiten verarbeiten kann, schneidet sie in der Regel nicht gut mit der Vibration ab, die durch die Herstellung komplexer Gewinde mit kleinen Durchmessern erzeugt wird. Daher ist Hartmetall die überlegene Wahl für Zuverlässigkeit und Konsistenz. Dies gilt insbesondere für kundenspezifische Swiss-Präzisionsbolzen und Präzisions-Swiss-Drehoperationen.
Die Standard-Werkzeuggeometrie versagt schnell beim Schneiden von Titan. Es ist notwendig, das Design zu modifizieren, um die Wärmeentwicklung und Reibung beim Schneiden von Titan zu minimieren:
Hohe Spanwinkel (+Spanwinkel) heben Späne von der Werkstückoberfläche ab, um die Schnittkräfte zu reduzieren.
Erhöhte Freiwinkel (c) verhindern, dass der hintere Teil des Werkzeugs am kaltverfestigten Material reibt.
Spanbrecher krümmen den Span und brechen ihn, bevor er lang und faserig wird.
Die Verwendung von Beschichtungen wie Aluminiumtitanitrid (AIN) ist ideal für diese Anwendung, da sie eine thermische Barriere bieten, um das Hartmetallsubstratwerkzeug vor der an der Bearbeitungsschnittstelle erzeugten Wärme zu schützen. Vermeiden Sie unbeschichtete Werkzeuge, da diese eine höhere chemische Affinität zum Titan haben als ein beschichtetes Werkzeug und das Werkzeug einem vorzeitigen Versagen aussetzen.
Geschwindigkeitsmanagement ist wichtiger als rohe Geschwindigkeit. Titan reagiert nicht gut auf extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten, die zu viel Wärme erzeugen. Verwenden Sie stattdessen eine niedrigere Oberflächengeschwindigkeit (SFM) gepaart mit einer aggressiven Spanlast.
Spanlast: Halten Sie Ihre Vorschübe hoch genug, um sicherzustellen, dass das Werkzeug immer in frisches Material schneidet, nicht auf der kaltverfestigten Oberfläche reibt.
Schnitttiefe: Stellen Sie immer sicher, dass Ihre Schnitttiefe tiefer ist als die kaltverfestigte Schicht, die durch den vorherigen Durchgang erzeugt wurde.
Werkzeugwechselintervall: Verfolgen Sie die Werkzeugstandzeit genau. Wenn Sie eine Verschlechterung der Oberflächengüte sehen, wechseln Sie das Werkzeug, bevor es ausbricht. Ein abgenutztes Werkzeug erzeugt mehr Wärme, was das Titan härter macht und den Ausfallzyklus beschleunigt.
Thermomanagement ist der Unterschied zwischen einem hochwertigen Teil und einem Haufen Ausschuss. Sie müssen die Wärme entfernen, bevor sie das Werkzeug oder das Werkstück beeinträchtigt.
Traditionelle Flutkühlung reicht für Titan selten aus. Die Wärme entsteht genau dort, wo das Werkzeug auf das Teil trifft, und Flutkühlmittel verdunstet oft oder wird abgelenkt, bevor es diesen Punkt erreicht.
Hochdruck-Kühlmittel durch die Spindel (HPPS) ist der Goldstandard. Indem die Flüssigkeit direkt und unter hohem Druck in die Schneidzone geleitet wird, erreichen Sie zwei Dinge: Die Wärme wird sofort abgeführt, und die Späne werden kraftvoll weggespült. Wenn Späne zurückbleiben, werden sie erneut geschnitten, was mehr Wärme erzeugt und die Oberflächenintegrität ruiniert. Für Swiss-Dreh-Titanbefestigungen und präzisionsgedrehte Titan-Hardware ist HPPS ein Muss.
Die Wahl der richtigen Kühlmittelformel ist entscheidend für die Schmierung. Sie benötigen ein Kühlmittel, das eine hohe Schmierung bietet, um zu verhindern, dass Titan auf das Werkzeug schweißt.
Synthetische Kühlmittel: Diese sind hervorragend für die Wärmeübertragung, entbehren jedoch manchmal der Schmierung, die erforderlich ist, um ein Aufschweißen von Spänen zu verhindern.
Halbsynthetische Kühlmittel: Diese bieten oft die beste Balance. Sie enthalten genug Öl, um die Schmierung zu verbessern, während sie die thermischen Eigenschaften von wasserbasierten Flüssigkeiten beibehalten.
Überwachen Sie immer die Konzentration Ihres Kühlmittels. Wenn die Mischung zu dünn ist, verlieren Sie Schmierung; zu dick, verlieren Sie Kühlkapazität.
In einigen Fällen können Trockenbearbeitung oder MQL (Minimalmengenschmierung) Standardkühlmittel übertreffen. Kryogene Bearbeitung mit flüssigem Stickstoff ist ein neuerer Ansatz. Es gefriert das Material an der Schneidkante, wodurch das Titan nicht die Temperaturen erreicht, bei denen es klebrig und reaktiv wird. Dies verlängert die Werkzeugstandzeit erheblich und kann zu einer überlegenen Oberflächengüte führen, erfordert jedoch spezielle Hardware und Sicherheitsprotokolle.
Die Herstellung einer Befestigung erfordert mehr als nur das Entfernen von Material. Sie schaffen eine strukturelle Komponente, die extremen Belastungen und Vibrationen standhalten muss. Dies gilt insbesondere für orthopädische Titanschrauben, Zahnimplantat-Befestigungen, Wirbelsäulenfixierung-Titanbolzen, Herz-Kreislauf-Geräte-Befestigungen, medizinische Instrumenten-Titanschrauben und Prothesen-Titan-Hardware.
Typischerweise treten die meisten Ausfälle an den Gewindeabschnitten von Titanbefestigungen auf. Beispielsweise ist das Gewindewalzen manchmal eine bessere Option als das Schneiden (bei hochfesten chirurgischen Bolzen). Das Kaltverfestigen der Gewinde durch Walzen führt dazu, dass die Gewindeoberfläche unter Druck gesetzt wird; dies wiederum wirkt sich positiv auf die Ermüdungsbeständigkeit der Gewindeabschnitte aus. Dies ist ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung von Titanbefestigungen
