티타늄 가공
티타늄은 강하고 가벼우며(밀도가 낮음) 내구성이 뛰어난 소재입니다. 고온 환경에서도 우수한 성능을 발휘하며 시간이 지나도 부식에 강합니다. 이러한 특성 덕분에 티타늄은 다음과 같은 부품이나 구성 요소에 적합합니다. 선풍기 날개, 항공기 기체 및 착륙 장치 의료용 임플란트와 같은 것들도 포함됩니다. 고관절, 치과 임플란트, 뼈 고정판.
그러나, 티타늄 제조 레이저 절단 및 가공에는 어려움이 따릅니다. 티타늄은 열 방출이 원활하지 않아 절삭 공구 주변에 열이 많이 축적됩니다. 이로 인해 공구 마모가 가속화되고 절삭 품질이 저하될 수 있습니다. 또한, 절단 부위가 경화되는 경향이 있어 나머지 가공 공정이 더욱 어려워집니다.
At 프로린 테크당사는 이러한 문제들을 해결하기 위해 정밀 가공 전략을 적용합니다. 열 발생을 최소화하기 위해 속도, 이송 속도, 공구 경로를 최적화하고, 신중한 공구 선택을 통해 화학 반응과 공구의 조기 마모를 줄입니다. 따라서 항상 안정적인 가공 결과와 일관된 부품 정밀도를 제공합니다.
이 글에서는 일반적인 내용을 다룹니다. 티타늄 가공 문제점과 실질적인 해결책은 물론, 사용 가능한 등급 및 가공 기술에 대해서도 알아보겠습니다. 계속 읽어보세요.
일반적인 티타늄 가공 등급 및 그 특성
티타늄은 등급별로 매우 다양한 선택지를 제공하며, 거의 40가지에 달하는 ASTM 등급과 여러 특수 합금이 있습니다. 각 등급은 강도, 무게, 가공 특성이 서로 다릅니다. 적절한 등급을 선택할 때는 가공 결과에 큰 영향을 미치므로 신중하게 고려해야 합니다.
ASTM F67 4등급 티타늄 봉
다음은 몇 가지 일반적인 유형입니다.
- 1~4등급(순수 상업용 티타늄): 이 소재들은 대부분 순수 티타늄으로 이루어져 있으며 강도에 약간의 차이가 있습니다. 가공이 비교적 용이하고 내식성이 뛰어납니다.
- 5등급(Ti-6Al-4V 또는 Ti 6-4): 5등급 티타늄은 다음을 포함합니다. 6 % 알루미늄 4% 바나듐상대적으로 가볍지만, 이러한 합금은 시중에서 판매되는 티타늄 합금 중 가장 강하며, 순수 티타늄에 비해 고온 성능이 뛰어납니다.
- Ti-5-5-5-3 (러시아산 티타늄): 이 합금은 Ti-6Al-4V보다 약 30% 더 높은 인장 강도를 제공합니다. 그러나 가공성이 약 50% 감소하기 때문에 Ti-5-5-5-3은 Ti-6Al-4V보다 절삭하기 어렵다고 여겨집니다.
- Ti-407: Ti-407은 가공성을 향상시키기 위해 특별히 개발된 최신 티타늄 합금 중 하나입니다. Ti-6Al-4V에 비해 Ti-407은 가공 작업이 더 용이합니다.
티타늄 CNC 가공 워크플로우
티타늄 블랙 아노다이징 패스너
티타늄은 고강도, 고온 내성 금속이지만 절삭 공구와 반응할 수 있으므로 가공 작업을 신중하게 계획해야 합니다. 고온과 공구 진동이 결합되면 절삭 공구가 빠르게 마모되거나 가공물이 손상될 수 있습니다. 하지만 다음의 실용적인 단계를 따르면 가공 과정을 간소화할 수 있습니다.
- 올바른 절단 도구를 선택하십시오: 티타늄 가공 시 절삭 과정에서 과도한 열이 발생하므로, 사용되는 공구는 티타늄의 경도와 고온을 견딜 수 있어야 합니다. 티타늄 가공에는 코팅된 고속강 또는 초경 공구를 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 공구는 절삭 깊이를 증가시키고, 파손 및 부품 손상 가능성을 줄여줍니다.
- 공구 코팅제를 사용하십시오: 공구 코팅은 열 발생을 관리하고 가공 대상인 티타늄과의 공구 접촉을 최소화하는 데 사용됩니다. 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN) 이 코팅은 가공 공구에 가장 흔하게 사용되는 코팅입니다. 공구가 가열되면 코팅이 보호층을 형성하고 열을 칩으로 전달하여 공구 손상 위험을 줄입니다.
- 안정적인 설정을 보장하십시오: 티타늄은 가공 중 굽힘 현상을 보일 수 있습니다. 이로 인해 원치 않는 진동과 채터가 발생할 수 있습니다. 엔드밀의 크기를 크게 하고 공구 돌출부를 최소화하면 강성과 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 일정한 이송 속도를 유지하고 급격한 속도 변화를 피하면 진동을 줄이고 공구 마모를 최소화할 수 있습니다.
- 이송 속도 및 절삭 속도 제어: 절삭 공구가 속도를 줄이거나 멈추는 모서리 부분 등에서 과도한 열 발생을 방지하려면 최적화된 이송 속도와 회전 속도가 필요합니다. 그러나 이송 속도나 회전 속도가 너무 높으면 티타늄 경화를 유발할 수 있습니다. 일정한 속도와 이송 속도를 유지하면서 안정적인 움직임을 확보하면 표면 품질이 향상되고 공구 수명이 연장됩니다.
CNC 티타늄 가공 기술
티타늄은 높은 강도, 가벼운 무게, 내식성을 모두 갖춘 독특한 소재로, 항공우주, 의료, 산업 분야에 최적입니다. 하지만 높은 경도와 내열성 때문에 가공이 매우 어렵습니다. 따라서 정확한 부품을 생산하고 공구 마모를 줄이려면 적절한 공구, 절삭 기술 및 가공액을 사용하는 것이 필수적입니다. 동일한 가공 방식이 다음과 같은 분야에서도 사용됩니다. 티타늄 CNC 가공 부품의 정밀도를 유지하고 공구 수명을 연장하기 위해.
티타늄 연삭
티타늄 플랜지 연삭
연삭은 티타늄에서 소량의 재료를 제거하고 표면을 정밀하게 다듬고 광택을 내는 데 사용됩니다. 티타늄은 단단하기 때문에 다이아몬드 코팅 연마재 또는 특수 연마재가 필요합니다. CNC 연삭은 수동 연삭보다 정밀도와 일관된 결과를 얻을 수 있어 선호됩니다.
연삭 가공은 주로 터빈 축, 항공우주용 브래킷, 의료용 고관절 또는 치과 임플란트와 같이 매끄러운 표면 마감과 정밀한 치수 공차가 중요한 분야에 사용됩니다.
티타늄 CNC 드릴링
티타늄 CNC 드릴링
드릴링은 티타늄 봉, 튜브 및 구조 부품에 구멍을 뚫는 데 사용됩니다. 티타늄은 열전도율이 낮아 드릴링 시 상당한 열이 발생합니다. 따라서 마찰을 줄이기 위해 적절한 윤활을 하면서 저속으로 드릴링을 진행합니다. 일반적으로 파손을 방지하기 위해 고속강 또는 초경 드릴 비트를 사용합니다.
이 기술은 항공우주용 체결 부품, 의료용 나사, 임플란트용 구멍, 그리고 국방 및 자동차 산업용 부품 생산에 주로 사용됩니다.
CNC 밀링 티타늄
티타늄 밀링
티타늄 CNC 밀링 회전하는 절삭 공구를 사용하여 재료를 제거하고 매끄러운 표면 마감을 가진 복잡한 형상을 만듭니다. 티타늄은 가공 중에 깨지거나 금이 갈 수 있으므로 일반적으로 초경 또는 다이아몬드 코팅 절삭 공구가 사용됩니다. 이 공정은 열 발생과 가공 경화를 줄이기 위해 제어된 절삭 속도와 이송 속도로 진행됩니다. 항공우주 엔진 브래킷, 터빈 블레이드, 금형, 다이 및 의료용 플레이트 등이 이 방법으로 생산되는 일반적인 부품입니다.
티타늄 태핑
티타늄 탭핑 공구
탭핑은 티타늄 부품에 내부 나사산을 만드는 작업입니다. 티타늄은 강도가 높지만 열전도율이 낮아 탭핑 시 발생하는 열과 마모가 심합니다. 따라서 일반적으로 초경합금 또는 고속강 탭과 절삭유를 사용합니다. 속도를 제어하고 마찰을 최소화하기 위해 충분한 윤활을 제공하면 탭 파손 위험을 줄이고 공구 수명을 연장할 수 있습니다. 항공우주용 하우징, 자동차 엔진 부품, 높은 강도와 정밀한 나사산이 요구되는 나사식 구조물 부속품 등이 이 기술을 사용하여 제조되는 부품의 예입니다.
티타늄 드로잉
드로잉은 티타늄을 늘려서 와이어, 봉 또는 길쭉한 부품으로 만드는 기술입니다. 높은 강도와 가공 경화 특성으로 인해 성형이 어려울 수 있으므로 마찰을 최소화하고 온도를 제어하기 위해 윤활제를 사용합니다. 의료용 전선, 항공우주용 막대, 정밀 전자 부품 등이 이 기술을 활용하는 부품의 예입니다.
티타늄 가공: 도전 과제 및 해결책
티타늄은 높은 강도와 경량성 등의 장점을 제공하지만, 가공이 까다로울 수 있습니다. 주요 가공상의 어려움을 이해하면 공구를 보호하고 가공 작업 효율을 높이는 데 도움이 됩니다.
워크 홀딩
티타늄은 다른 금속보다 유연성이 뛰어나 가공 중에 휘어지거나 움직일 수 있습니다. 따라서 공구를 단단히 고정하고 안정적인 기계 설정을 유지하는 것이 중요합니다. 공구가 구멍이나 공작물 벽면 근처에서 멈추면 마찰, 열 발생, 공구 마모 증가로 이어질 수 있습니다. 공구의 안정적인 움직임을 유지하면 절삭 작업이 향상됩니다.
열 발생
티타늄은 열전도율이 낮아 가공 과정에서 발생하는 열의 대부분이 공구에 흡수됩니다. 경도가 높은 티타늄 합금일수록 이 문제는 더욱 심해집니다. 가공 속도를 낮추고 냉각수를 사용하면 발생되는 열을 줄이고 티타늄 경화를 방지할 수 있습니다.
쓰라리고 굳어진 가장자리
티타늄은 절삭 공구에 잘 달라붙는 경향이 있습니다. 이는 가공 작업에 악영향을 미치고 공구를 손상시킬 수 있습니다. 이러한 현상을 갈링(galling) 또는 빌드업 에지(built-up edge)라고 합니다. 적절한 양의 냉각수를 사용하고, 공구의 움직임을 일정하게 유지하며, 칩을 제거하면 일반적으로 갈링을 방지하고 깨끗한 절삭을 유지할 수 있습니다.
티타늄을 효과적으로 가공하는 방법: 유용한 팁 및 고려 사항
앞서 언급했듯이 티타늄은 높은 강도와 내열성 때문에 가공에 어려움이 있습니다. 몇 가지 기본 지침을 준수하면 공구를 보호하고, 발생하는 열을 줄이며, 더 높은 품질의 부품을 생산할 수 있습니다.
온도를 낮게 유지하세요
티타늄은 열전도율이 낮습니다. 따라서 티타늄 가공 작업 중 발생하는 열의 대부분은 공구에 흡수됩니다. 이렇게 발생한 열은 공구의 마모를 빠르게 진행시키고 마찰을 증가시켜 추가적인 열 발생을 초래합니다.
또한, 열은 가공물의 모서리를 경화시켜 절삭을 더욱 어렵게 만들 수 있습니다. 충분한 냉각수를 공급하면 발생하는 온도를 낮추고 가공물의 경화를 방지할 수 있습니다.
진입 및 진출 시 원활한 전환
절삭면에 갑자기 진입하거나 빠져나오면 공구와 공작물이 손상될 수 있습니다. 공구를 절삭면으로 천천히 아크를 그리며 진입시키면 압력이 서서히 증가합니다. 일정한 방향(두꺼운 재료에서 얇은 재료로)으로 이송하고 절삭 공구 속도를 일정하게 유지하면 공구에 가해지는 충격을 줄일 수 있습니다.
날카로운 도구 사용
티타늄 가공을 효율적으로 수행하려면 날카로운 절삭 공구가 필수적입니다. 무딘 공구는 과도한 열을 발생시키고 마모가 빠르게 진행됩니다. 공구 연마는 가공 공정과 절삭 품질을 향상시키고 절삭 공구의 수명을 연장할 수 있습니다.
공구가 식을 공간을 확보하세요
공구 직경을 줄이고 절삭 간격을 적절하게 유지하면 공기 흐름과 냉각수가 공구의 절삭날에 도달할 수 있습니다. 이는 공구를 냉각시키고 열 축적을 줄이는 데 도움이 됩니다. 일정한 이송 속도와 절삭 속도를 유지하면 과도한 열 축적을 방지하고 원활한 절삭을 촉진할 수 있습니다.
상처 예방
티타늄은 절삭 공구에 용접되는 경향이 있어 모서리 부분에 마모 또는 재용접이 발생합니다. 공구를 날카롭게 하고 윤활유를 공급하면 마모 현상을 줄일 수 있습니다. 마모를 줄이면 공구와 가공물 표면 모두를 보호할 수 있습니다.
컨트롤 치핑
절삭 공구에 금속이 달라붙으면 모서리 칩이 발생합니다. 이로 인해 공구가 손상되고 절삭 품질이 저하될 수 있습니다. 날카로운 절삭 공구와 적절한 가공액을 사용하면 모서리 칩 발생을 최소화하고 더욱 깨끗하고 정확한 절삭을 얻을 수 있습니다.
티타늄 가공과 알루미늄 가공 비교 스틸과 대결
티타늄 CNC 가공 제품
티타늄은 강철보다 가볍고 강하며 알루미늄보다 내열성이 뛰어납니다. 또한 두 금속보다 부식에 대한 저항력도 우수합니다. 간단한 비교는 다음과 같습니다.
표 1 : 티타늄 vs. 스틸 알루미늄 가공과 비교
| 부동산 | 티타늄(Ti 6Al-4V) | 스틸 (스테인리스) | 알류미늄 |
| 내구력 | 매우 강력하며 고온에서도 효능을 유지합니다. | 힘은 좋지만, 더 빨리 지친다. | 더 낮고 내열성이 떨어짐 |
| 중량(평량) | 낮음, 철강의 약 60% | 높음 | 매우 낮은 |
| 부식 저항 | 뛰어난 자가 복구 기능의 레이어 | 좋아요, 녹슬 수 있어요 | 좋긴 한데 티타늄보다 못해요 |
| 가공성 | 자르기 더 어렵다 | 쉽게 | 아주 쉽게 |
| 비용 | 고급 레벨 | 보통 | 높음 |
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