Obróbka tytanu CNC – właściwości, problemy i optymalizacja procesu

Słowa kluczowe: obróbka tytanu CNC, Ti6Al4V, frezowanie tytanu, trudnoskrawalne materiały, obróbka skrawaniem tytanu

Tytan i jego stopy, szczególnie Ti6Al4V, należą do najbardziej wymagających materiałów w obróbce skrawaniem. Wysoka wytrzymałość mechaniczna, niska przewodność cieplna oraz duży moduł sprężystości powodują, że obróbka CNC tytanu wymaga ścisłego przestrzegania parametrów technologicznych, odpowiedniego doboru narzędzi i właściwej strategii obróbczej.

1. Właściwości tytanu istotne w procesie obróbki

 

Właściwość	Wartość orientacyjna (Ti6Al4V)	Znaczenie technologiczne
Gęstość	4,43 g/cm³	Lekki, ale sztywny materiał – trudny do odkształcenia
Wytrzymałość na rozciąganie	900–1000 MPa	Wysoka odporność na odkształcenia plastyczne
Przewodność cieplna	ok. 7 W/m·K	Ciepło koncentruje się w strefie skrawania
Moduł sprężystości	110 GPa	Wysoka sprężystość → tendencja do „uciekania” spod narzędzia
Reaktywność chemiczna	Wysoka	Tworzy twardą, pasywną warstwę tlenkową

Niska przewodność cieplna tytanu powoduje, że 90–95% energii cieplnej wytwarzanej podczas skrawania pozostaje w strefie kontaktu narzędzie–materiał. W rezultacie następuje szybkie zużycie ostrza i wzrost ryzyka narostu krawędziowego.

2. Dobór narzędzi i geometrii

Podstawowym warunkiem efektywnej obróbki tytanu jest zastosowanie narzędzi o wysokiej odporności cieplnej oraz sztywnej geometrii.

• Materiał narzędzia: węglik spiekany (submikronowy) lub ceramika mieszana.
• Powłoka: TiAlN, AlTiN, AlCrN lub nowoczesne powłoki nanokompozytowe (np. nACo).
• Kąt natarcia: dodatni (+10° do +15°), aby ograniczyć odkształcenie materiału.
• Kąt przyłożenia: ≥ 12°, dla lepszego odprowadzania ciepła.
• Promień naroża: 0,2–0,8 mm w zależności od geometrii detalu i rodzaju operacji.

Dodatkowo zaleca się stosowanie narzędzi o polerowanych ostrzach (niższe tarcie) i ściśle kontrolowanym biciu promieniowym < 0,005 mm.

3. Parametry skrawania (Ti6Al4V)

Operacja	vc [m/min]	fz [mm/z]	ap [mm]	Uwagi
Frezowanie zgrubne	50–80	0,05–0,12	0,5–2,0	Ścieżki trochoidalne
Frezowanie wykańczające	100–140	0,02–0,06	0,2–0,5	Krótki kontakt ostrza
Toczenie	40–70	0,10–0,25	0,3–1,0	Stabilne chłodzenie
Wiercenie	20–50	0,05–0,20	–	Chłodziwo wysokociśnieniowe

Wskazówka: Zbyt duża prędkość skrawania powoduje wzrost temperatury i mikropęknięcia ostrza – należy dążyć do równomiernego obciążenia cieplnego.

4. Strategia obróbki i programowanie CAM

W obróbce tytanu kluczowe jest równomierne obciążenie narzędzia i ograniczenie czasu kontaktu z materiałem. Sprawdzone strategie:

• Trochoidalne ścieżki HSM – stały kąt skrawania i redukcja temperatury.
• Adaptive clearing (np. iMachining, VoluMill, HyperMill) – dynamiczne dostosowanie obciążenia.
• Zoptymalizowane wejścia/wyjścia – płynne przejścia, brak uderzeń ostrza.
• Kontrola wibracji – poprzez tłumienie drgań wrzeciona i ścieżki CAM.

Symulacja obciążenia narzędzia w systemach CAM (SolidCAM, NX CAM, Mastercam) pozwala przewidzieć miejsca przeciążenia i zoptymalizować parametry.

5. Chłodzenie i odprowadzanie ciepła

Tytan wymaga wysokociśnieniowego chłodzenia (≥70 bar) z dużym przepływem. Zalecenia:

• Medium: chłodziwo syntetyczne lub półsyntetyczne z dodatkami EP.
• Podawanie chłodziwa: przez wrzeciono, bezpośrednio w strefę skrawania.
• Unikać mgły olejowej – niewystarczające chłodzenie i ryzyko zapłonu wiórów.
• Stosować przerwy w długich konturach – pozwalają rozproszyć ciepło.

6. Stabilność procesu i pomiar

Wysoka sprężystość tytanu prowadzi do „sprężynowania” detalu po odciążeniu. W celu utrzymania tolerancji wymiarowej należy:

• stosować sztywne uchwyty i krótkie wysięgi narzędzi,
• wprowadzać kompensacje sił skrawania w CAM,
• stosować in-process probing (np. sondy Renishaw).

7. Integracja i monitorowanie procesu

Nowoczesne stanowiska do obróbki tytanu wyposażane są w systemy MES i SCADA do monitorowania temperatur, zużycia narzędzi i wibracji wrzeciona. Integracja z systemami HMI oraz automatyzacja załadunku pozwala na stabilną produkcję w trybie 24/7.

8. Podsumowanie

Obróbka tytanu CNC wymaga precyzyjnego zarządzania energią cieplną, siłami skrawania i sztywnością układu. Kluczowe elementy sukcesu to:

• odpowiedni dobór narzędzi i powłok,
• strategia trochoidalna/adaptacyjna,
• wysokociśnieniowe chłodzenie,
• cyfrowe monitorowanie procesu.

Dzięki integracji systemów CAM, MES i automatyzacji możliwe jest uzyskanie stabilnej, powtarzalnej i ekonomicznej obróbki elementów z tytanu nawet w środowisku produkcyjnym wysokiej złożoności.

Obróbka CNC tytanu w SOLIDEXPERT Innovation

W SOLIDEXPERT Innovation specjalizujemy się w kompleksowej obróbce CNC tytanu oraz innych materiałów trudnoskrawalnych. Realizujemy projekty od modelu CAD, przez programowanie CAM i symulacje obciążenia, aż po integrację z maszynami i systemami MES. Nasze doświadczenie w robotyzacji, HMI i automatyzacji procesów pozwala nam tworzyć stanowiska o najwyższej efektywności i precyzji.

Jeśli potrzebujesz partnera technologicznego do obróbki tytanu – skontaktuj się z nami.