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의료, 수술 및 고성능 자동차 부품 산업은 다른 금속과 비교할 수 없는 강도 대 중량비 때문에 티타늄에 큰 관심을 가지고 있습니다. 이는 티타늄 부품이 비행기를 그 어느 때보다 멀리 날아가게 하고, 경주용 자동차를 더 빠르게 코너링하게 하며, 인체 내에서 합병증 없이 작동하는 이식형 의료 기기를 가능하게 한다는 것을 의미합니다. 의료용 티타늄 체결구, 생체적합성 티타늄 볼트, 수술용 티타늄 볼트에 대한 요구 사항은 일반 금속 체결구보다 더 엄격하지만, 독특한 원자 구조로 인해 티타늄을 가공하는 어려움은 납과 같은 금속을 가공하는 것만큼 어렵습니다. 높은 강도와 뛰어난 내식성의 조합은 티타늄을 경량의 정밀 체결구로 가공하는 데 매우 까다로운 환경을 만듭니다. 이 기사에서는 이러한 특성을 적절히 조합하고 이식용 티타늄 체결구, 의료 기기용 티타늄 하드웨어, 정형외과, 척추 및 심혈관 기기에 사용되는 생체적합성 체결 솔루션을 사용하여 고성능, 장수명 부품을 만드는 데 필요한 단계를 설명합니다.
티타늄은 현장에서 강철이나 알루미늄처럼 작동하지 않습니다. 독특한 야금학적 구성은 절삭 공구와 충돌하여 종종 급속한 열 축적과 재료 열화를 초래합니다. Grade 5 티타늄 볼트, Grade 2 티타늄 체결구 또는 Ti-6Al-4V 의료용 나사를 생산하든 동일한 물리적 법칙이 적용됩니다.
파괴적 가공과 관련된 재료 특성 측면에서 티타늄은 반응성 측면에서 최고의 재료입니다. 그러나 파괴적 가공 공정에서 티타늄의 주요 단점은 낮은 열전도율입니다. 강철을 절단할 때 마찰로 인해 발생하는 열의 상당 부분이 칩과 함께 배출됩니다. 티타늄을 절단할 때는 공구 인선이 티타늄과 계속 접촉하므로 마찰로 인한 열이 절삭 인선에 남아 있습니다. 절삭 인선의 극심한 국부적 온도는 절삭 작업 중 칩 용접 및 공구의 조기 마모라는 두 가지 주요 문제를 야기합니다.
고온에서 티타늄은 화학적으로 매우 반응성이 높습니다. 절삭 공구 온도 상승으로 인해 티타늄이 절삭 공구에 결합될 때 공구와 티타늄 사이에 화학적 반응성이 발생합니다. 이는 구성 인선(BUE)이 형성되는 조건을 만듭니다. BUE가 형성되면 절삭 공구의 절삭 능력이 상실되고 체결구의 표면 마감이 거칠어지며 결국 공구가 완전히 파손됩니다. 해양 또는 이식 애플리케이션에 사용되는 내식성 티타늄 볼트의 경우 표면 무결성을 유지하는 것이 필수입니다.
티타늄 가공 시 문제 중 하나는 티타늄의 가공 경화 특성입니다. 절삭 공구가 티타늄을 절단할 때, 절삭 공구에 바로 인접한 재료는 소성 변형을 겪습니다. 절삭 공구가 공작물을 통과할 때 깨끗하게 전단되는 대신, 티타늄은 절단 후 비교적 빠르게 경화되어 취성화됩니다. 이는 높은 절삭력이 매우 작은 영역에 집중되는 티타늄 미세 가공 또는 소경 티타늄 나사 가공 시 특히 중요합니다.
적절한 절삭 방식을 사용하지 않으면 경화된 티타늄 층이 다음 절삭을 위한 벽을 형성하여 다음 절삭이 첫 번째보다 더 어려워집니다. 이는 공작물을 절단하는 데 필요한 절삭력을 증가시킵니다. 기계 설정에 절삭 공구를 공작물에 밀어 넣는 데 필요한 강성이나 토크가 부족하면 절삭 공구가 경화층에 대해 진동하여 치수 불일치와 품질이 낮은 나사산이 생성됩니다.
티타늄을 가공할 때는 강성이 높은 기계를 사용하는 것이 중요합니다. 티타늄의 강인함으로 인해 절삭 공구에 가해지는 절삭력이 매우 높습니다. 기계나 작업물 고정 장치에 유연성이 있으면 기계가 진동합니다.
진동은 엄격한 공차 유지에 해롭습니다. 경량 체결구를 가공할 때는 체결구 설치 시 갤링을 방지하기 위해 나사산을 정확하게 절단해야 합니다. 체결구에 채터링이 발생하면 재료에 미세 균열이 생성되어 체결구의 피로 수명이 크게 감소합니다. 엄격한 공차로 티타늄을 가공할 때 진동을 제어하는 좋은 방법은 가능한 한 가장 짧은 공구 돌출부를 유지하고 매우 견고한 고정 장치를 사용하여 진동의 영향을 줄이는 것입니다. 진동 제어는 티타늄의 고공차 가공에 필수적입니다.
절삭 공구는 티타늄의 가혹한 현실에 대한 일차적인 방어 수단입니다. 이 응용 분야에 표준 강철 공구를 사용하여 결과를 기대할 수 없습니다.
카바이드는 티타늄 가공에 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. 카바이드 등급을 선택할 때는 인성과 내열성 사이에서 적절한 균형을 가진 것을 선택해야 합니다. 미립자 카바이드 등급은 인선을 더 오래 유지하고 공구 치핑으로 이어지는 열 피로에 저항하기 때문에 이 응용 분야에 가장 적합합니다.
세라믹 및 PCD(다결정 다이아몬드) 공구도 있지만, 이러한 재료는 일반적으로 체결구 생산에 필요한 간헐적 절삭 작업에 비해 너무 취성입니다. 세라믹은 고속을 처리할 수 있지만, 일반적으로 소경의 복잡한 나사산을 만드는 데서 발생하는 진동에서는 성능이 좋지 않습니다. 결과적으로 카바이드는 신뢰성과 일관성 측면에서 우수한 선택입니다. 이는 특히 맞춤형 스위스 정밀 가공 볼트 및 정밀 스위스 선삭 작업에 해당됩니다.
표준 공구 설계 형상은 티타늄 절단 시 빠르게 실패합니다. 티타늄 절단 시 열 발생과 마찰을 최소화하도록 설계를 수정해야 합니다:
높은 경사각(+경사각)은 칩을 공작물 표면에서 들어 올려 절삭력을 줄입니다.
증가된 여유각은 공구 뒷면이 가공 경화된 재료에 문지르는 것을 방지합니다.
칩 브레이커는 칩을 말아서 길고 가늘어지기 전에 끊습니다.
AlTiN(알루미늄 티타늄 질화물)과 같은 코팅 사용은 가공 계면에서 발생하는 열로부터 카바이드 기재 공구를 보호하는 열 장벽을 제공하므로 이 응용 분야에 이상적입니다. 무코팅 공구는 코팅 공구보다 티타늄에 대한 화학적 친화력이 높아 조기 파손에 노출되므로 사용을 피하십시오.
속도 관리가 단순한 고속보다 더 중요합니다. 티타늄은 과도한 열을 발생시키는 매우 높은 절삭 속도에 잘 반응하지 않습니다. 대신, 공격적인 칩 부하와 함께 낮은 표면 속도(SFM)를 사용하십시오.
칩 부하: 공구가 항상 절삭 경화 표면에 문지르지 않고 새로운 재료를 절단하도록 이송 속도를 충분히 높게 유지하십시오.
절삭 깊이: 절삭 깊이가 이전 패스에서 생성된 가공 경화층보다 항상 더 깊은지 확인하십시오.
공구 교체 간격: 공구 수명을 면밀히 추적하십시오. 표면 마감이 저하되는 것이 보이면 공구가 치핑되기 전에 교체하십시오. 마모된 공구는 더 많은 열을 발생시켜 티타늄을 더 단단하게 만들고 파손 주기를 가속화합니다.
열 관리는 고품질 부품과 스크랩 더미의 차이를 만듭니다. 열이 공구나 공작물에 영향을 미치기 전에 제거해야 합니다.
기존의 범람식 냉각은 티타늄에 거의 충분하지 않습니다. 열은 공구가 부품에 닿는 지점에서 정확히 발생하며, 범람식 절삭유는 종종 그 지점에 도달하기 전에 증발하거나 튕겨 나갑니다.
스핀들을 통한 고압 절삭유(HPPS)가 가장 좋은 표준입니다. 유체를 고압으로 절삭 영역에 직접 전달하면 두 가지를 달성할 수 있습니다: 열이 즉시 제거되고 칩이 강제로 씻겨 나갑니다. 칩이 남아 있으면 재절단되어 더 많은 열을 생성하고 표면 무결성을 망칩니다. 스위스 선반 티타늄 체결구 및 정밀 선삭 티타늄 하드웨어의 경우 HPPS는 필수입니다.
적절한 절삭유 조제를 선택하는 것은 윤활성에 중요합니다. 티타늄이 공구에 용접되는 것을 방지하기 위해 높은 윤활성을 제공하는 절삭유가 필요합니다.
합성 절삭유: 열 전달에는 뛰어나지만 칩 용접을 방지하는 데 필요한 윤활성이 부족한 경우가 있습니다.
반합성 절삭유: 종종 최상의 균형을 제공합니다. 수계 유체의 열적 특성을 유지하면서 윤활성을 개선하기에 충분한 오일을 함유하고 있습니다.
항상 절삭유의 농도를 모니터링하십시오. 혼합물이 너무 묽으면 윤활성을 잃고, 너무 걸쭉하면 냉각 용량을 잃습니다.
어떤 경우에는 건식 가공 또는 MQL(최소량 윤활)이 표준 절삭유보다 성능이 뛰어날 수 있습니다. 액체 질소를 사용하는 극저온 가공은 새로운 접근 방식입니다. 절삭 인선에서 재료를 동결시켜 티타늄이 끈적거리고 반응성이 높아지는 온도에 도달하지 못하게 합니다. 이는 공구 수명을 크게 연장하고 우수한 표면 마감을 가져올 수 있지만, 특수 하드웨어와 안전 프로토콜이 필요합니다.
체결구를 만드는 것은 단순히 재료를 제거하는 것 이상입니다. 극심한 응력과 진동을 견뎌야 하는 구조적 구성 요소를 만드는 것입니다. 이는 특히 정형외과 티타늄 나사, 치과 임플란트 체결구, 척추 고정 티타늄 볼트, 심혈관 기기 체결구, 의료 기기 티타늄 나사 및 보철용 티타늄 하드웨어에 해당됩니다.
일반적으로 티타늄 체결구의 나사산 부분에서 대부분의 파손이 발생합니다. 예를 들어, 나사산 롤링은 때때로 절삭보다 더 나은 선택입니다(고강도 수술용 볼트의 경우). 롤링을 통해 나사산을 냉간 가공하면 나사산 표면이 압축 상태가 되어 나사산 부분의 피로 저항에 긍정적인 영향을 미칩니다. 이는 이식형 기기에 사용되는 티타늄 체결구를 제
