티타늄 가공 속도 극대화: 검증된 기술 및 모범 사례

게시일: 2020년 10월 19일 | 작성: Candy, WayKen Rapid Manufacturing

티타늄은 그 특성 때문에 오랫동안 외면받아 왔습니다. 그러나 최근 야금학과 제조 기술의 발전으로 이 소재에 대한 새로운 시각이 열렸습니다. 현재 티타늄은 뛰어난 중량 대비 강도비(강철의 3배), 내식성, 인체 조직 적합성, 고온에서의 탁월한 성능으로 각광받고 있습니다. 항공우주 티타늄 부품은 경량성과 고강도로 특히 인기가 높습니다. 하지만 티타늄 가공에는 많은 문제가 따릅니다.

가장 일반적인 티타늄 합금

티타늄에 여러 원소를 첨가해 성능을 높입니다. 티타늄은 800°C 이상에서 동소체 변태를 겪습니다. 티타늄 사용 온도를 낮추는 원소를 베타 안정화제, 높이는 원소를 알파 안정화제라고 합니다. 안정화제 함량에 따라 티타늄 합금은 4개 그룹으로 나뉩니다.

1. 비합금 티타늄 (Unalloyed titanium): 순수 티타늄입니다. 비합금 버전이 내식성은 최고지만 강도는 낮습니다.
2. 알파 합금 (Alpha alloys): 알파 합금은 크리프 저항이 더 좋아 고온 성능에 사용됩니다.
3. 알파-베타 합금 (Alpha-beta alloys): 이 그룹이 뛰어난 특성 덕분에 가장 널리 쓰입니다. 알파 안정화제는 내열성을, 베타 안정화제는 강도를 더합니다. 가장 흔한 알파-베타 합금 Ti-6Al-4V가 전체 티타늄 합금 시장의 거의 50%를 차지합니다.
4. 베타 합금 (Beta alloys): 이 합금들은 이전 그룹들보다 더 단단하지만 밀도도 더 높습니다.

티타늄 가공이 어려운 7가지 이유

티타늄 밀링, 터닝, 그라인딩, 공구 마모, 칩 생성 메커니즘의 역학을 깊이 파고들기보다, 티타늄 가공이 골칫거리인 7가지 이유를 요약합니다.

1. 티타늄은 고온에서도 높은 강도를 유지하며 절삭 속도에서도 소성 변형 저항이 지속됩니다. 이로 인해 절삭 힘이 강철보다 훨씬 큽니다.
2. 칩이 형성될 때 매우 얇고, 칩과 공구 간 접촉 면적이 강철의 1/3에 불과합니다. 이로 인해 공구 팁이 거의 모든 절삭 힘을 견뎌야 합니다.
3. 티타늄 합금은 절삭 공구 소재에 대한 마찰 계수가 높습니다. 이는 절삭 온도와 힘을 증가시킵니다.
4. 500°C 이상에서 티타늄은 대다수 공구 소재와 화학 반응을 합니다. 아, 열 축적이 너무 높으면 티타늄 절삭 시 자연 발화 경향이 있어 티타늄 합금 절삭 시 냉각수 사용은 필수입니다.
5. 낮은 접촉 면적과 얇은 칩 때문에 절삭 중 모든 열이 공구로 가 공구 수명을 크게 단축시킵니다. 오직 고압 냉각수만 열 축적을 따라잡을 수 있습니다.
6. 티타늄 합금은 탄성 계수가 매우 낮습니다. 이는 추가 진동, 공구 채터링, 편향을 유발할 수 있습니다.
7. 낮은 절삭 속도에서 소재가 절삭 날에 달라붙을 수 있으며 이는 표면 조도에 극히 나쁩니다.

보시다시피 상당한 문제들이 있습니다. 그러나 전 세계 제조 엔지니어들이 티타늄 가공 속도를 높이기 위한 많은 전략을 개발해 왔습니다.

절삭 공구로 티타늄 가공 속도 높이기

절삭 공구 선택은 CNC 알루미늄 및 티타늄 가공 공정 성공의 첫걸음입니다. 가장 중요한 선택은 소재입니다. 수년간 여러 초경 합금이 티타늄 절삭에 효과적임이 입증되었습니다. 티타늄 부품 가공에 적합하려면 공구는 여러 특성을 가져야 합니다.

• 고온에서 경도가 높아야 합니다.
• 채터링 저항이 높아야 합니다.
• 칩 생성이 순환 과정이므로 높은 피로 특성이 필요합니다.
• 고온 티타늄과 화학적으로 중성이어야 합니다.
• 높은 강도가 필요합니다.
• 티타늄의 낮은 열전도율을 보상할 우수한 열전도율이 필요합니다.

위 특성을 모두 갖춘 가장 적합한 공구 소재 범위는 WC/Co 합금입니다. 또 다른 대안은 고속도강으로, 치핑 저항이 매우 높습니다. 다이아몬드 공구도 티타늄 마모에 좋은 성능을 보였습니다. 다이아몬드 가공 팁은 여기에서 확인하세요.

고속 티타늄 가공 기술

티타늄 가공 성능을 높이는 또 다른 실행 가능한 방법은 특수 티타늄 가공 전략을 적용하는 것입니다. 우리의 티타늄 가공 서비스는 티타늄 가공 시간을 최소화하기 위해 올바른 절삭 파라미터 선택에 꽤 능숙해졌습니다. 그러나 파라미터 최적화 외에도 가공 속도를 크게 높일 수 있는 비전통적 가공 전략이 있습니다.

레지 공구 (Ledge Tools)

이 공구는 제너럴 일렉트릭(GE)사가 개발했습니다. 전체 공구 대신 얇은 돌출 레지가 있는 공구를 사용합니다. 칩도 매우 얇으므로 차이가 없지만, 레지가 더 천천히 마모되고 재연마가 쉽습니다. 레지의 플랭크(flank)는 빠르게 마모된 후 나머지 레지가 마모되는 동안 일정하게 유지되며, 이는 일정한 플랭크로 더 천천히 일어납니다.

로터리 인서트 (Rotary Inserts)

로터리 인서트는 티타늄 터닝에 사용됩니다. 공작기계 설계의 정밀도 부족으로 이전에는 불가능했습니다. 하지만 현재 제조 기술 수준으로 그 사용이 가능해졌습니다. 주요 원리는 공구 인서트가 원형이고 공구가 소재를 절삭하면서 고정구 주위를 회전한다는 것입니다. 이렇게 하면 열 전달이 훨씬 빨라지고 공구가 덜 과열됩니다. 따라서 절삭 속도를 높일 수 있습니다.

초음파 보조 금속 제거 (Ultrasonically Assisted Metal Removal)

절삭 공구에 초음파 진동을 가하면 칩 형성이 쉬워집니다. 티타늄 칩은 탄성이 매우 나쁘고, 절삭 날이 소재를 자르기 시작하면 변형 경화로 악화됩니다. 초음파파는 변형 대신 칩 파쇄를 유도해 공구 수명, 표면 조도, 공구 특성에 긍정적 영향을 주며, 절삭 날의 소재 빌드업을 방지하고 가공자가 절삭 속도를 높일 수 있게 합니다.

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다음 신속 프로토타이핑에서 성능을 기대할 때 올바른 가공 팁과 원자재 선택은 정말 중요한 부분입니다. WayKen에서는 더 많은 전문적인 조언을 제공하게 되어 기쁩니다. 부담 없이 연락 주세요: info@waykenrm.com 또는 CAD 파일을 업로드해 주세요.