後疫情時代航太產業扶搖直上，引爆鈦合金鑽孔加工熱潮

2022年08月04日




 

 鈦合金的材料特性與常見應用 


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、材料質輕、密度小、強度高，具備良好的韌性、塑性以及高溫變形（machining distortion at high temperature）的性能。此種鈦合金擁有絕佳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，雖然適合當作耐熱材質，但是散熱效果非常差，一旦吸收熱量，就很難將它揮散出去。另外，雖然鈦合金抗蝕性好，在550℃以下鈦合金表面易形成緻密的氧化膜，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極高，容易吸收氧，在表面形成硬度很高的氧化硬層。


常見應用
Ti-6Al-4V鈦合金由於熱強度高、低溫性能好，且具備良好的抗蝕性，以航太產業的應用為最大宗。Ti-6Al-4V鈦合金強度高於其他金屬結構材料，可以製造出單位強度高、剛性好、質輕的零部件。


圖2. 鈦合金製螺栓及引擎零部件

此種材料在航太、汽車產業都有廣泛且大量的應用，例如在航太產業中的機身骨架結構件（aircraft fuselage components）、引擎結構件（engine components）、渦輪葉盤（turbine fan disks）、航太緊固件（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）等需要加工大量特殊特徵的複雜零部件，因此加工精度的重複性與刀具壽命變成了一大關鍵。


圖3. 鈦合金材料在航太產業之波音757-200噴射引擎的應用

 
 

 鈦合金鑽孔加工要點與常用刀具 


由於Ti-6Al-4V鈦合金有著密度小、延展性好（高溫變形性）以及加工硬化（work hardening）等材料特性，在進行鈦合金鑽孔等特徵的加工時，通常加工製程上需要有完善、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. 鑽削鈦合金材料需使用銳利且堅固的鑽頭

一般而言，需使用銳利且堅固的刀具，以因應加工時大量積累熱能所導致刀具磨耗的狀況。另外，由於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，切屑沾黏刀具，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，若沒有適當控制鑽削的推力（thrust force）和扭矩（torque），可能導致刀具打滑，對孔位精度造成嚴重影響。因此在加工時，也需要確保刀具及工件都已確實固定，並使用適當的冷卻機制，來幫助降低加工時積累的熱能。

在處理鈦合金鑽孔特徵的加工時，尤其在深鑽孔加工，鈦合金專用的鎢鋼鑽頭（carbide drills）會是最佳選擇。使用銳利的鑽頭，並配合適當的幾何角度，創造良好的鑽削條件避免鈦合金的表面因散不掉的加工熱產生表層硬化，這些都會是成功鑽孔鈦合金的關鍵。

 
 

 鈦合金鑽孔加工困難點 

 

鈦合金鑽孔加工：工件品質與刀具壽命的挑戰

誠如前段描述，在進行鑽孔特徵的加工時，由於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，都可能對工件的孔壁品質以及鑽削的孔位精度造成嚴重影響。

在進行Ti-6Al-4V鈦合金鑽孔特徵加工時，由於鈦合金散熱效果差，容易積累大量加工熱能，導致材料軟化，產生切屑沾黏刀具的現象，增強了材料與刀具的摩擦，加速刀具耗損，使得刀具壽命迅速下降。


圖5. 於CNC機台上進行金屬鑽削加工需使用適當冷卻機制

另外，由於Ti-6Al-4V鈦合金材料的加工硬化特性，在切屑易沾黏刀具的情況下，若沒有控制好鑽削時的推力和扭矩，很可能因為刀具打滑，產生嚴重擴孔，而影響孔位精度；切屑大且產生黏刀的現象，使得鑽削時的扭矩難以控制，嚴重時更會直接造成斷刀的情況。

 
 

 漢鼎超音波加工能為鈦合金鑽孔加工帶來哪些助益呢？ 


漢鼎的超音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。這樣類似於快速啄鑽、提刀的機制應用在鑽削上，可有效幫助刀具掌控定位精度，且有效降低鑽削時的扭矩；同時配合中心出水的功能，達到有效潤滑、冷卻，使得鑽削過程更容易斷屑，幫助排屑過程更順暢。


圖6. 漢鼎超音波加工技術帶來高頻縱向振動輔助排屑過程

超音波提供刀具的高頻縱向振動，其高頻率且快速地啄鑽、提刀，能使刀具穩定控制鑽孔時孔位的精度，大幅降低刀具打滑而造成擴孔的情況，有效維持工件鑽孔品質。

另外，超音波提供的高頻微振動可有效降低鑽削時的推力和扭矩，減少刀具與工件之間的磨擦。另外，鑽削時更容易斷屑的情況下，能夠降低纏屑的發生，切屑形狀變小，也同時降低了鑽削時的扭矩，有效延長、穩定刀具壽命。


圖7. 漢鼎超音波加工技術幫助降低鑽削時的推力與扭矩, 帶來更穩定的刀具壽命

這項技術在於微鑽孔以及深鑽孔加工佔有強大的優勢，特別是針對硬脆性的先進材料，包括航太產業用碳纖維及玻璃纖維複合材料、Nomex紙蜂巢、工業陶瓷、石英玻璃、硬質合金等。透過有效提升工件鑽孔品質以及加強刀具壽命的穩定性，超音波輔助加工技術提供了一個改善加工過程的解決方案。

了解更多漢鼎超音波加工技術

 
 

 超音波輔助鈦合金加工成功案例分享 

 

鈦合金：微鑽孔加工


圖8. 超音波輔助加工鈦合金微鑽孔工件

使用超音波在Ti-6Al-4V鈦合金上進行50孔Φ0.5x5mm的微鑽孔加工，有效降低了39%鑽削時的扭矩力。配合中心出水的功能，大幅降低鑽削Ti-6Al-4V鈦合金時大量積累的加工熱能，並排除纏屑的發生。不僅能幫助延長刀具壽命，也有效維持鑽孔的定位精度。


圖9. 鈦合金微鑽孔切屑形貌之有無超音波輔助加工比較

這個特徵被廣泛應用在航太產業及3C電子產業，特別用作機身骨架結構件、引擎結構件、飛機鉚釘孔結構件、手機機殼等。

 

鈦合金：側銑加工


圖10. 超音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超音波刀把，並整合中心出水、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，使用超音波輔助加工的刀具累積加工時間和距離都比無超音波來得長久。

漢鼎超音波輔助加工亦能使切屑易分開，大幅改善刀具壽命，刀具的前刀面磨耗僅出現小缺角，相較無超音波輔助加工的情況，刀具前刀面產生刀刃崩角，磨耗嚴重，且塗層顆粒已露出。


圖11. 鈦合金側銑加工切屑形貌之有無超音波輔助加工比較



圖12. 鈦合金側銑加工刀具前刀面磨耗狀況之有無超音波輔助加工比較

這個特徵被廣泛應用在航太產業以及3C電子產業，特別是用作機翼懸掛架、襟翼導軌、手機機殼等。

 
 

 鈦合金鑽孔加工常見問題 


Q1  在維持鑽孔工件品質的條件下，如何控制Ti-6Al-4V鈦合金鑽削時的推力和扭矩呢？

A1  漢鼎超音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。這樣類似快速啄鑽、提刀的機制可有效降低鑽削時的推力和扭矩，減少刀具磨耗；且漢鼎標配的高壓中心出水能更容易斷屑，並達到有效潤滑、冷卻，幫助排屑過程更順暢，在維持工件鑽孔品質的條件下，延長刀具壽命。


圖13. 漢鼎超音波加工驅動模組

了解更多漢鼎超音波加工模組



Q2  欲使用漢鼎超音波加工模組系統進行鈦合金鑽孔加工時，如何適當地調整進給率及超音波振幅等加工參數呢？

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，並幫助客戶克服鈦合金鑽孔加工時的痛點。針對技術服務，其中包括提供優化後的加工參數及其他相關服務，來確保客戶端在使用漢鼎超音波輔助加工產品時，能獲得最佳的使用體驗。讓客戶了解到，這不僅僅是購買一項產品，更重要的是合作間知識、技術的交流。


圖14. 漢鼎超音波加工刀把

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參考資料
1. AZO Materials – Titanium Alloys – Physical Properties
2. RMI Titanium Co. LLC – Titanium Alloy Guide
3. Total Materia – Titanium Properties
4. 巨川金屬企業有限公司 - 技術知識-鈦合金之特性與切削