Titanium – a material that is increasingly playing a key role in the modern manufacturing environment. However, due to its strength and material properties, machining it is demanding and requires specialized strategies. So how exactly can these challenges in titanium machining be mastered?

It was precisely these complex requirements that we examined in depth during our workshop. After all, a material of extremes requires equally extreme solutions. Advanced CNC technologies and special tools are required for machining. And this is exactly where our new HAM titanium program comes into play. In combination with modern cooling methods, it enables efficient and precise machining of titanium, which was impressively demonstrated during live machining.

Titanium: An overview of the light metal and its grades

Titanium, a light and resistant element, is highly sought after due to its low density and high resistance to corrosion and heat. Although the light metal is one of the ten most common elements in the earth’s crust, it is mainly found in minerals, which makes its extraction considerably energy-intensive – around four times as much as aluminum.

But not all titanium is the same! It is divided into different categories, known as “grades”, which represent either pure or alloyed titanium. Pure titanium is found in grades 1 to 4, with grade 2 being the most commonly used in medical technology with 99.7% pure titanium. It offers a good balance between strength and malleability. Alloyed titanium, on the other hand, ranges from grade 5 to 39, with grade 5 (Ti-6Al-4V) being one of the most commonly used titanium alloys in the aerospace industry, containing aluminum and vanadium and offering high strength and corrosion resistance.

The choice of grade depends on the requirements for strength, weight and corrosion resistance. Titanium outperforms aluminum, CFRP and GFRP in terms of tensile strength, but lags behind steel. However, no general statement can be made about density. Depending on the type of aluminum, the density is very close to that of titanium. However, the density of CFRP with a volume of 50% exceeds both titanium and aluminum.

The challenges of titanium machining and possible solutions

The processing of titanium poses considerable challenges for machining companies. High strength and toughness lead to higher cutting forces and temperatures and therefore to increased tool wear. The problem is exacerbated by the low thermal conductivity of titanium, as the heat generated is not effectively dissipated into the chip, but mainly into the tool. While around 80 % of the heat from steel is dissipated into the chip, only 20 % dissipates into the chip in titanium. In addition to this is the strong reactivity with oxygen, which causes increased tool wear due to diffusion at high temperatures. Heat and friction are therefore the main challenges when machining titanium.

But how can these challenges be overcome? One of the most effective ways to minimize heat and tool wear is to avoid high cutting speeds. Special solid carbide tools with sharp cutting edges ensure clean cutting and prevent breakage. Uneven tool spacing helps to minimize vibration and extend tool life by promoting even wear of the cutting edges. It also ensures better chip removal and optimized cutting forces. The correct coordination of carbide substrate and coating optimizes the heat resistance and sliding properties of the tool. The use of special coolants and optimum internal cooling of the tools are also crucial for improving process stability

Our solution: The new HAM titanium program

Our HAM standard tools are optimized for “wet” use and benefit from a flow-optimized design, which is achieved by the larger MQL shaft chamfer and a round MQL cooling channel connection. Reduced guide chamfers help to lower the temperature, while an increased taper minimizes friction as less cutting surface “rubs” against the workpiece. This is complemented by our innovative HSF (Hybrid Surface Finish) surface technology, which guarantees a smooth surface and thus further reduces friction during titanium machining.

40-3011: Our 5-cutter for trochoidal milling

The HAM 40-3011 offers maximum efficiency thanks to an internal cooling and a special coating that makes it particularly suitable for titanium machining. It has 5 teeth and is available in diameters from 6 to 20 mm.

iMachining Ø 20 | allowance 0.2mm | emulsion | roughing / finishing machining parameters

• ap / ae = 38 / 0,18-0,81 | 38 / 0,2
• n = 2.045 rpm | 1.115 rpm
• Vc = 180 m/min | 70 m/min
• fz = 0,24 mm/z | 0,06 mm/z
• Vf = 2.410 mm/min | 360 mm/min

iMachining Ø 12 | allowance 0.2mm | emulsion | roughing machining parameters

• ap / ae = 23 / 0,11-0,48
• n = 3.200 rpm
• Vc = 122 m/min
• fz = 0,12 mm/z
• Vf = 1.910 mm/min

40-3001: Our 3-cutter for full-slot milling up to 1.5xD

Our HAM 40-3001 is characterized by an internal cooling, 3 teeth and diameters from 6 to 20 mm. Thanks to a special coating, it is ideal for machining titanium and offers high wear resistance in demanding applications.

Slot 1xD Ø 10 | allowance 0.00 mm | MQL | roughing / finishing machining parameters

• ap / ae = 10 / 10 | 10 / 0,2
• n = 1.600 rpm | 2.550 rpm
• Vc = 50 m/min | 80 m/min
• fz = 0,05 mm/z | 0,08 mm/z
• Vf = 240 mm/min | 610 mm/min

Slot1.5xD Ø 10 | allowance 0.00 mm | MQL | roughing / finishing machining parameters

• ap / ae = 15 / 10 | 15 / 0,1
• n = 1.600 rpm | 2.550 rpm
• Vc = 50 m/min | 80 m/min
• fz = 0,025 mm/z | 0,08 mm/z
• Vf = 120 mm/min | 610 mm/min

HAM Titandrill: Our process-reliable 3xD deep hole drill with internal cooling

This tool combines a 30° helix angle with 2 teeth for high performance. Available in 3xD and 5xD, it is equipped with a special chip chamber geometry to ensure improved chip evacuation.

Core hole Ø 6.8 | allowance 0.00 mm | MQL | roughing / finishing machining parameters

• ap = 20
• n = 1.640 rpm
• Vc = 36 m/min
• f = 0,05 mm/U
• Vf = 164 mm/min

Core hole Friction Ø 7.8 | allowance 0.00 mm | MQL | roughing / finishing machining parameters

• ap = 20
• n = 1.500 rpm
• Vc = 36 m/min
• f = 0,05 mm/U
• Vf = 150 mm/min

Advantages of our HAM titanium program

Our innovative tool geometries with central internal cooling ensure maximum performance and efficient heat dissipation in order to achieve maximum efficiency even in demanding machining processes. Thanks to the smooth running and low-vibration machining, precise and reliable machining is achieved, which significantly improves the machining quality. With our newly developed wear protection coating for titanium and the unique Hybrid Surface Finish (HSF), not only is a defined preparation of the cutting edge achieved, but also an extremely smooth surface. The heat-resistant surface coating can withstand temperatures up to over 1000 °C. It can also be used in MQL processes (minimum quantity lubrication) under certain conditions, which further increases sustainability and process reliability.

Looking to the future of titanium in modern manufacturing

The properties of titanium – high strength, low weight and excellent corrosion resistance – make it one of the most sought-after materials in manufacturing. The aviation, automotive and medical technology industries have long recognized the potential of titanium. However, the high cost of machining has so far prevented titanium from being widely used in mass production. But with advanced machining techniques and the right choice of tooling, these hurdles could soon be overcome. It is therefore no wonder that experts expect the overall share of titanium alloys to grow by 20 percent over the next few years. Industries such as aerospace, e-mobility and electronics show strong growth potential for the use of titanium. With more efficient machining techniques and a targeted production strategy, titanium could eventually replace stainless steel and aluminum in many applications and usher in a new era in manufacturing.

Live machining of an aerospace moulded part (150 x 110 x 50 mm) in titanium grade 5 (Ti6Al4V; 3.7164) completely with minimum quantity lubrication (MQL) only as part of our workshop ‘The Swabian Titanium’ on 16.10.2024

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Almost as light as aluminum, but stronger than steel – these are the properties of titanium.

The machining of titanium is a complex task due to the special properties of the metal.

HAM has developed the titanium milling cutters HAM 40-3001 with teeth = 3 and HAM 40-3011 with teeth = 5 and a titanium drill for machining titanium, high-temperature alloys and stainless steels. 

Benefit from the following advantages: 

• Titanium milling cutter with central internal cooling for maximum performance
• Titanium drills with special chip flute geometry, an internal coolant and special grinding
• Very smooth running and low-vibration machining
• Special surface treatment (HSF)
• Heat-resistant surface coating up to over 1000°
• MQL-capable under certain conditions

The new titanium milling cutters are available from now, the titanium drill is available on request.

Get in touch with us! We will be happy to advise you.

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They are the exotics among the materials: Materials such as CFRP, titanium, honeycomb or aluminium are convincing due to their high strength combined with low weight and are preferably used in the aerospace industry. However, they place high demands on machining. HAM has been dealing with this topic for years and has developed a multitude of powerful standard and special tools. They score with long tool life and achieve very good surface finishes…

Leistungsstarke Präzisionswerkzeuge von HAM für CFK, Titan & Co.

Während CFK oder Titan in der Luft- und Raumfahrt schon seit längerem im Einsatz sind, setzen sich solche modernen Werkstoffe in der Automobilindustrie erst allmählich durch. Bei den Konstrukteuren sind die Materialien allemal sehr beliebt: Sie sind leicht und dennoch fest und stabil. Faserverbundwerkstoffe wie CFK bestehen beispielsweise aus einem Matrixwerkstoff und verstärkenden Fasern. Diese Kombination macht das Material hochfest. Aluminium wird bevorzugt dort verbaut, wo es auf die Masse ankommt, wie etwa bei Flugzeugen. Denn durch die geringe Dichte wird erheblich an Gewicht gespart. Die wabenförmige Struktur von Honeycomb besteht aus Kunststoffen oder Aramidfasern, die mit verschiedenen Decklagen überzogen werden. Dies erhöht die Stabilität deutlich. Titan und seine Legierungen zeichnen sich durch eine geringe Dichte und hohe Festigkeit aus. Die Werkstoffe sind thermisch stark belastbar und korrosionsbeständig.

Zerspaner vor großer Herausforderung

Allen gemeinsam ist, dass sie die Zerspaner vor große Herausforderungen stellen. Die spezifischen Eigenschaften dieser Werkstoffe machen eine prozesssichere und schnelle Bearbeitung mit hohen Oberflächenqualitäten sehr schwierig. So ist beispielsweise CFK stark abrasiv, was zu einem deutlichen Werkzeugverschleiß führt. Insbesondere bei Material mit viel Harzgehalt kommt es bei der Zerspanung immer wieder zu Absplitterungen. Die Inhomogenität von CFK und anderen Verbundwerkstoffen belastet die Werkzeugschneide erheblich. Das Material zerspant staubförmig. Ein zu hoher Wärmeeintrag kann zu unerwünschten Verschmelzungen führen. Für eine prozesssichere Bearbeitung sind die Auswahl des richtigen Werkzeugs, die passende Geometrie und die Bestimmung der geeigneten Schnittdaten entscheidend.

Das leichte und dennoch biegefeste Honeycomb wird gerne zwischen der Innen- und Außenhaut von Flugzeugen oder in den Flügeln von Windkraftanlagen zum Stützen und Versteifen eingesetzt. Das Material besteht jedoch aus einem vergleichsweise losen Verbund, wodurch es beim Bearbeiten leicht ausfransen kann. Gefordert sind hier extrem scharfe Schneiden. Die Schwierigkeit beim Bohren und Fräsen besteht darin, neben einer kontur- und maßgetreuen Bearbeitung auch hochwertige Schnittkanten und Oberflächen sicherzustellen.

Große Hitzeentwicklung bei Titan

Beim Zerspanen von Titan und seinen Legierungen entsteht große Hitze. Diese nimmt nicht der Werkstoff auf, sondern das Schneidwerkzeug. Es muss daher die richtige Geometrie und Beschichtung gewählt werden, um frühzeitige Ausfälle zu vermeiden. Außerdem bilden sich beim Fräsen und Bohren von Titan oft lange Späne, die sich um Werkstück oder Werkzeug wickeln und den Prozess unterbrechen können. Am vergleichsweise unproblematischsten ist das Zerspanen von Aluminium, das unter hohen Schnittgeschwindigkeiten erfolgen kann. Die Spanbarkeit ist jedoch abhängig von den Legierungsbestandteilen. Kaltverfestigtes oder gehärtetes Aluminium lässt sich leichter bearbeiten als weiches. HAM beschäftigt sich seit Jahren intensiv mit der Bearbeitung moderner Werkstoffe und hat Werkzeuge entwickelt, die die Herausforderung dieser Exoten meistern. So überzeugt beispielsweise der zweischneidige VHM-Spezial-Konturenfräser von HAM bei der Herstellung von Nuten verschiedener Tiefen aus Honeycomb-Platten mit beidseitiger Deckschicht. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 376 Metern pro Minute und 20.000 Umdrehungen erzielte er eine nahezu gratfreie Oberfläche. Ausfransungen an den Folien blieben aus. Mit einem erreichten Standweg von 450 Metern bei Langzeitversuchen hat der Fräser seine Prozessfähigkeit für die Serienfertigung unter Beweis gestellt.

HAM-Bohrsenker für Top-Oberflächenqualität

Eine häufige Anwendung in CFK ist das Bohren und Senken von Nietlöchern in einem Arbeitsgang. Die besondere Aufgabe besteht darin, Ausfransungen am Bohrungsein- und – austritt zu vermeiden. Hierfür hat HAM einen Vollhartmetall (VHM)-Bohrsenker entwickelt. Mit seiner speziellen Geometrie und angepasster Diamantbeschichtung erfüllt er die Anforderungen an Bauteilqualität und Standzeit. Das Werkzeug erzielt maßgenaue Bohrungsdurchmesser und Senkungen. Zwischen den Materialschichten gibt es keine Ausfransung und die Oberflächenqualität ist sehr gut. Hohe Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten beim Fräsen von CFK ermöglicht beispielsweise der PKD-HPCAufsteckfräser HAM 40-7640. Das polykristalline Diamantwerkzeug sorgt in der Praxis für eine hohe Abtragsleistung. Die effiziente Kühlung erfolgt innen zentral durch die Anzugsschraube.

Mit dem One-Shot-Drill hat HAM ein leistungsstarkes Werkzeug entwickelt, das Bohren und Reiben von Sandwich-Bauteilen, aber auch von Titan in einem Arbeitsgang ermöglicht. Das Werkzeug mit Diamantbeschichtung erleichtert die Bearbeitung von Titan. Der Bohrer erzielte in Tests mit einer Schnittgeschwindigkeit von 25 Metern pro Minute einen präzisen Durchmesser und hohe Oberflächengüte. Die Minimalmengenschmierung vermeidet eine zu starke Hitzeentwicklung an der Schnittzone von Titan-Bauteilen. Darüber hinaus erzeugt das Werkzeug kurze Späne, die leicht zu entsorgen sind. Der One-Shot-Drill überzeugt auch bei Sandwich-Bauteilen aus CFK, Titan und Aluminium. Er vermeidet Ausfransungen in der CFK-Schicht, und der Bohrungsaustritt ist nahezu gratfrei.

Die Verwendung moderner Werkstoffe wird in Zukunft weiter zunehmen. Zu verlockend sind die konstruktiven Vorteile, die diese Exoten bieten. Die Hersteller von Präzisionswerkzeugen bleiben gefordert. HAM wird sich auch weiterhin in enger Kooperation mit den Kunden intensiv mit diesem Thema auseinandersetzen und geeignete Werkzeuge für die effiziente und wirtschaftliche Bearbeitung von CFK, Titan & Co. entwickeln.

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