鈦合金的材料特性與常見應用 

鈦合金：材料特性

鈦合金（Titanium alloy）是以鈦為基礎加入其他化學元素組成的合金。鈦合金可分為α合金、α＋β合金及β合金三大類，其中使用量最大且被廣泛應用的是α＋β合金中的Ti-6Al-4V鈦合金。 Ti-6Al-4V鈦合金的組織穩定、料質輕、密度小、彈性模量小以及高溫變形（machining distortion at high temperature）的性能。此種鈦合金擁有良好的耐腐蝕性及延展性，有良好的熱壓力加工性。


圖1. 鈦金屬合金材料

鈦合金的導熱性差，雖適合作為耐熱材質，但散熱效果非常差，加工過程中的切削熱不易擴散。另外，鈦合金抗蝕性好，在550℃以下鈦合金表面易形成覆蓋性良好且致密的氧化膜，因此不容易被進一步氧化。不過，在600℃以上溫度時，鈦金屬和氧的親和力高，容易吸收氧，在表面形成硬度高的氧化硬層。

 

鈦合金：常見應用

Ti-6Al-4V鈦合金由于熱強度高、低溫性能好，且有良好的抗蝕性，以航天產業的應用為大宗。 Ti-6Al-4V鈦合金強度高于其他金屬結構材料，可以制造出單位強度高、剛性好、質輕的零部件。


圖2. 鈦合金制螺栓及引擎零部件

鈦合金在航天、汽車產業都有廣泛且大量的應用，例如在航天產業中的機身骨架元件（aircraft fuselage components）、引擎元件（engine components）、渦輪葉盤（turbine fan disks）、航天緊固件（aerospace fasteners）等，以及在汽車產業中會用作車身板件（automotive body panels）及閥門（valves）等需要加工大量特征特殊、復雜的零部件，因此加工精度的重復性與刀具壽命在機械加工鈦合金材料中，成為加工業者至關重要的議題。


圖3. 鈦合金材料在航天產業之波音757-200噴射引擎的應用

 鈦合金鉆孔加工要點與常用加工刀具 

由于Ti-6Al-4V鈦合金密度小、延展性好（高溫變形性），且有加工硬化（work hardening）等材料特性，在進行鈦合金鉆孔等特征的加工時，通常加工過程中需要有完善、穩固的設置，以克服工件在加工過程中，因高溫而產生材料軟化、變形或表層硬化的狀況。


圖4. 鉆削鈦合金材料須使用銳利且堅固的鉆頭

一般來說，須使用銳利且堅固的刀具，來因應加工時大量積累熱能而導致刀具磨耗的狀況。另外，由于Ti-6Al-4V鈦合金具備良好的高溫變形性，延展性好，此種材料的工件在加工過程中容易因高溫變形，切屑粘接刀具，導致刀具壽命急速下降而造成工件精度嚴重偏差。再加上Ti-6Al-4V鈦合金材料的加工硬化特性，若沒有適當控制鉆削時的推力（thrust force）和扭矩（torque），可能導致鉆頭打滑，對孔洞精度造成嚴重影響。因此在機械加工時，需要確保刀具及工件都已確實固定，并使用適當的冷卻機制，來幫助降低加工時積累的熱能。

在進行鈦合金鉆孔特征的加工時，尤其在深鉆孔加工，鈦合金專用的鎢鋼鉆頭（carbide drills）會是良好選擇。使用銳利的鉆頭，并配合適當的幾何角度，創造良好的鉆削條件能避免鈦合金表面因散不掉的加工熱，而產生表層硬化，這些都會是成功鉆削鈦合金的關鍵。

 

 鈦合金鉆孔加工難點 

鈦合金鉆孔加工：工件孔洞質量與刀具壽命的挑戰

誠如前段描述，在進行鈦合金鉆削時，由于Ti-6Al-4V鈦合金的導熱性差、延展性好（高溫變形性）以及加工硬化等材料特性，都可能對工件的孔洞質量及孔位精度造成嚴重影響。

在進行Ti-6Al-4V鈦合金鉆孔加工時，由于鈦合金散熱效果差，容易積累大量加工熱，導致金屬表層硬化，鉆削力變大，從而讓加工過程更為困難；然而，切削熱在一定條件下會使工件表面的冷硬產生回復現象，這一現象稱為軟化，而在更高的溫度下，甚至將引起相變。鈦合金材料軟化后，易產生切屑粘接刀具的現象，增加材料與刀具的摩擦，加速刀具磨耗，使刀具壽命急速下降。


圖5. CNC機臺上進行金屬鉆削加工須使用適當冷卻機制

另外，鈦合金材料加工硬化的特性，在切屑易粘接刀具的情況下，若沒有控制好鉆削時的推力和扭矩，容易因刀具打滑，工件孔洞產生嚴重擴孔，影響孔位精度；切屑大且產生黏刀的現象，使得鉆削時的扭矩難以控制，嚴重時更會直接造成斷刀。

 

 漢鼎超聲波輔助加工能為鈦合金鉆孔加工帶來哪些助益呢？ 

漢鼎的超聲波輔助加工技術提供刀具一個高頻率，且每秒超過20,000次的縱向微振動。類似快速啄鉆、抬刀的機制應用在鉆削上，可幫助刀具掌控定位精度，并有效降低鉆削時的扭矩；同時配合中心出水的功能，達到有效潤滑、冷卻，使鉆削過程更容易斷屑，幫助排屑過程更順暢。


圖6. 漢鼎超聲波加工技術帶來高頻縱向振動輔助排屑過程

超聲波提供刀具的高頻縱向振動，其高頻率且快速地啄鉆下刀、抬刀，能使刀具穩定控制鉆孔時的孔位精度，大幅降低刀具打滑造成擴孔的情況，有效維持工件孔洞質量。

另外，超聲波提供的高頻微振動可有效降低鉆削時的推力（thrust force）和扭矩（torque），減少刀具與工件之間的磨擦。另外，鉆削時若能更容易斷屑，也可降低纏屑的發生，切屑形狀變小，達到有效延長、穩定刀具壽命。


圖7. 漢鼎超聲波加工技術幫助降低鉆削時的推力與扭矩, 帶來更穩定的刀具壽命

這項技術應用在微鉆孔以及深鉆孔加工占有強大的優勢，特別是針對硬脆性先進材料的機械加工，包括工業陶瓷（technical ceramic）、石英玻璃（quartz glass）、超合金（super-alloys）等。

超聲波的高頻微振動能夠穩定控制鉆削的推力和扭矩，使切屑變小。達到有效提升工件孔洞質量以及加強刀具壽命的穩定性，超聲波輔助加工技術提供一個改善加工過程的解決方案。

了解更多漢鼎超聲波加工技術

 

 超聲波輔助鈦合金加工成功案例分享 

鈦合金：微鉆孔加工

圖8. 超聲波輔助加工鈦合金微鉆孔工件

使用超聲波在Ti-6Al-4V鈦合金上進行50孔Φ0.5x5mm的微鉆孔加工，有效降低39%鉆削時的扭矩力。配合中心出水的功能，大幅降低大量積累的加工熱，并排除纏屑的發生。不僅能幫助延長刀具壽命，也能有效維持工件孔洞的定位精度。


圖9. 鈦合金微鉆孔切屑形貌之有無超聲波輔助加工比較

這個加工工藝的產品被廣泛應用在航天產業及3C電子產業，特別用作機身骨架元件、引擎元件、飛機鉚釘孔元件、手機機殼等。

 

鈦合金：側銑加工

圖10. 超聲波輔助加工鈦合金側銑工件

漢鼎在Ti-6Al-4V鈦合金上進行側銑加工。使用漢鼎的BT30超聲波刀柄，并整合中心出水、自動換刀及CNC自動化系統。加工過程設定工件表面粗糙度上限，加工結果顯示，在接近相同的表面粗糙度時，使用超聲波輔助加工的刀具累積加工時間和距離都較無超聲波來得長久。

漢鼎超聲波輔助加工更容易分開切屑，大幅改善刀具壽命，刀具的前刀面磨耗僅出現小缺角，相較無超聲波加工的情況，刀具前刀面產生刀刃崩角，磨耗嚴重，且涂層顆粒已露出。


圖11. 鈦合金側銑加工切屑形貌之有無超聲波輔助加工比較



圖12. 鈦合金側銑加工刀具前刀面磨耗狀況之有無超聲波輔助加工比較

這個加工工藝的產品被廣泛應用在航天產業（用作機翼懸掛架、襟翼導軌等）、3C電子產業（用作智能手機機殼、智能手表表殼等），以及電動汽車產業（用作汽車底盤）。

 

 鈦合金鉆孔加工常見問題 

Q1  在維持鈦合金工件孔洞質量的條件下，如何控制鉆削時的推力和扭矩呢？

A1  漢鼎超聲波輔助加工技術提供刀具一個高頻率，且每秒超過20,000次的縱向微振動。類似快速啄鉆、抬刀的機制可有效降低鉆削時的推力和扭矩，減少刀具磨耗；另外，漢鼎標準配置的高壓中心出水能更容易斷屑，并達到有效潤滑、冷卻，幫助排屑過程更順暢，在維持工件孔洞質量的條件下，延長刀具壽命。


圖13. 漢鼎超聲波加工驅動模組

了解更多漢鼎超聲波加工模組


 

Q2  欲使用漢鼎超聲波加工模組系統進行鈦合金鉆孔加工時，如何適當調整進給率及超聲波振幅等加工工藝參數呢？

A2  漢鼎擁有堅強的研發與技術團隊，期望提供客戶所需服務，并幫助客戶克服鈦合金鉆削的加工難點。針對技術服務，其中包括提供優化后的加工工藝參數及其他相關服務，來確保客戶端在使用漢鼎超聲波輔助加工產品時，能獲得最佳的使用體驗。讓客戶了解到，這不僅是購買一項產品，更重要的是團隊合作間知識與技術的交流。


圖14. 漢鼎超聲波加工刀柄



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