Titanbefestigungen für Roboter

Die Robotik dringt zunehmend in High-End-Anwendungen wie Präzisionselektronik, medizinische Chirurgie und Luft- und Raumfahrt vor. Als Kernkomponenten von Roboter-Strukturverbindungen bestimmt die Leistung der Verbindungselemente direkt die Betriebsgenauigkeit, Belastbarkeit und Lebensdauer des Roboters. Titan ist mit seinem hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, seiner ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit, seiner überlegenen Dauerfestigkeit und seiner guten Biokompatibilität ein ideales Material für Roboterbefestigungen.

Herstellung von Titanbefestigungen für Roboter

Industrie Befestigungselemente aus Titan Die Entwicklung von Robotern ist ein komplexer Systementwicklungsprozess, der Materialwissenschaft, Präzisionsbearbeitung, Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung integriert.

CNC-Präzisionsbearbeitung

Verbindungselemente für Roboter (wie Schrauben, Muttern und Bolzen) erfordern extrem hohe Maßgenauigkeit und geringe geometrische Toleranzen. Beispielsweise kann eine Fehlausrichtung von 0.01 mm bei den Bolzen an den Gelenken eines Industrieroboters zum Blockieren des Gelenks führen und die Wiederholgenauigkeit des Roboters beeinträchtigen (die typischerweise innerhalb von ±0.02 mm liegen muss). Wstitanium Wstitanium nutzt hochsteife CNC-Bearbeitungszentren und kundenspezifische Prozessparameter für die Präzisionsbearbeitung von Titanbefestigungselementen. Das Unternehmen hat in ein vertikales Bearbeitungszentrum DMG MORI DMC 635 V aus Deutschland und ein Bohr- und Gewindeschneidzentrum der Serie FANUC ROBODRILL α-DiB aus Japan investiert. Diese Anlagen zeichnen sich durch eine Positioniergenauigkeit von ±0.003 mm und eine Wiederholgenauigkeit von ±0.0015 mm aus. Die Titanbefestigungselemente von Wstitanium erfüllen Maßtoleranzen von IT6-IT7 (beispielsweise beträgt die Flankentoleranz einer M10×1.5-Schraube ±0.015 mm), während geometrische und Positionstoleranzen (wie Koaxialität und Rechtwinkligkeit) im Bereich von 0.01-0.02 mm liegen. Damit werden die strengen Anforderungen wichtiger Roboterkomponenten wie Gelenke, Getriebe und Motoren vollständig erfüllt.

Wärmebehandlung

Die mechanischen Eigenschaften von Titan reagieren äußerst empfindlich auf Wärmebehandlungsprozesse. Wstitanium bietet maßgeschneiderte Wärmebehandlungslösungen, die auf die spezifischen Anwendungsszenarien von Roboterbefestigungen (z. B. hochbelastete Verbindungen, Leichtbauarme und korrosive Umgebungen) zugeschnitten sind, um deren Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Dauerfestigkeit zu optimieren.

– β-Glühen: Die Titanlegierung wird auf 20–50 °C über den β-Umwandlungspunkt (ca. 995 °C für Ti-6Al-4V) erhitzt, eine Zeit lang bei dieser Temperatur gehalten und dann luft- oder ofengekühlt. Diese Technik erzeugt eine grobe β-Kornstruktur, die die Bruchzähigkeit von Titanbefestigungen deutlich verbessert (KIC kann über 60 MPa·m¹/² erreichen) und sie somit für Roboterverbindungsbolzen geeignet macht, die Stoßbelastungen ausgesetzt sind.

– Duplexglühen: Die Legierung wird zunächst unter dem β-Umwandlungspunkt (ca. 920 °C) gehalten, auf Raumtemperatur luftgekühlt und dann bei 500–600 °C gealtert. Diese Technik gleicht Festigkeit und Duktilität der Titanlegierung aus und erreicht eine Zugfestigkeit von 900–950 MPa und eine Dehnung von 15–18 % für Ti-6Al-4V-Befestigungselemente, wodurch sie für die meisten Strukturverbindungen in Industrierobotern geeignet sind.

– Lösungsbehandlung und Alterung: Die Titanlegierung wird auf die α+β-Phase (ca. 940 °C) erhitzt, dort gehalten, anschließend wassergehärtet und bei 480–540 °C gealtert. Diese Technologie kann die Zugfestigkeit von Titanbefestigungen auf über 1100 MPa und die Härte auf HRC38–42 erhöhen, wodurch sie sich für hochbelastbare, hochpräzise Verbindungsschrauben für Roboterreduzierer eignen.

Oberflächenbearbeitung

Roboterbefestigungen müssen bei der Montage bestimmten Vorspannungen standhalten, und einige Anwendungen (wie Roboter zur Lebensmittelverarbeitung und Meeresforschung) erfordern eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit. Wstitanium nutzt verschiedene Oberflächenbehandlungstechnologien, um die Oberflächeneigenschaften von Titanbefestigungen weiter zu verbessern.

– Beizen und Passivieren: Wstitanium verwendet eine Salpetersäure-Flusssäure-Mischung zum Beizen der Verbindungselemente, um Zunder und Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, die während der Verarbeitung entstehen. Anschließend werden die Verbindungselemente in Salpetersäure passiviert, wodurch sich ein gleichmäßiger, dichter TiO₂-Oxidfilm (ca. 5–10 nm dick) bildet. Dieser Oxidfilm weist eine außergewöhnliche chemische Stabilität auf und stellt sicher, dass Titan-Verbindungselemente im neutralen Salzsprühtest über 1,000 Stunden lang korrosionsfrei bleiben. Damit ist er für die meisten industriellen Umgebungen geeignet.

– Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO): Bei diesem Verfahren, auch als Mikrolichtbogenoxidation bekannt, wird ein gepulster Hochspannungsstrom auf die Oberfläche der Titanlegierung angewendet. Dadurch wird eine plasmachemische Reaktion in einem Elektrolyten ausgelöst, bei der sich ein 10–50 μm dicker keramischer Oxidfilm bildet. Dieser Film weist eine starke Haftung auf dem Substrat (Haftung ≥ 50 MPa), eine Härte von HV500–800 und eine ausgezeichnete Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit auf (Lebensdauer im Salzsprühtest über 5,000 Stunden). Er eignet sich für Roboterbefestigungen in Umgebungen mit hohem Verschleiß und hoher Korrosion (z. B. Schiffsroboter und Lebensmittelverarbeitungsroboter).

– Nitrieren: Bei hohen Temperaturen (700–800 °C) und einer stickstoffreichen Atmosphäre dringen Stickstoffatome in die Oberfläche der Titanlegierung ein und bilden eine TiN-Verbindungsschicht (ca. 5–15 μm dick). Die TiN-Schicht weist eine Härte von HV1000–1200 und einen niedrigen Reibungskoeffizienten (0.15–0.25) auf. Dies verbessert die Verschleißfestigkeit und die Festfressensfestigkeit von Verbindungselementen deutlich und verhindert ein Festfressen während der Montage. Sie eignet sich für Schrauben in Robotergelenken, die häufig demontiert werden müssen.

– PVD-Beschichtung (Physikalische Gasphasenabscheidung): Mittels Magnetronsputtern oder Lichtbogen-Ionenplattierung wird eine harte Beschichtung (2–5 μm dick) wie TiN oder TiAlN auf die Oberfläche von Titan-Verbindungselementen aufgebracht. Diese Beschichtung weist eine extrem hohe Härte (über HV2000) und einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten auf. Sie bietet zudem eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit (bis zu 600 °C) und eignet sich daher für Verbindungselemente, die schnelle und temperaturempfindliche Robotermotoren verbinden.

Wstitanium nutzt fortschrittliche CNC-Bearbeitung Technologie und ein strenges Qualitätskontrollsystem, um die außergewöhnliche Präzision und Stabilität seiner Titanbefestigungen zu gewährleisten:

– Maßgenauigkeit: Die wichtigsten Abmessungen der Befestigungselemente (wie Gewindedurchmesser, Bolzendurchmesser und Länge) unterliegen den Toleranzen IT6-IT7 und übertreffen damit die nationalen Normen (normalerweise IT8-IT9) deutlich.

– Geometrische Toleranzen: Die Koaxialität und Rechtwinkligkeit der Bolzen werden auf 0.01–0.02 mm kontrolliert, wodurch eine minimale axiale Abweichung der Verbindung nach der Montage gewährleistet wird.

– Stabilität: Titanlegierungen haben einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (8.6×10⁻⁶/°C), der nur 60 % des von Stahl beträgt. In Umgebungen mit starken Temperaturschwankungen (z. B. bei Schweißrobotern in der Automobilindustrie) verändern sich die Abmessungen der Verbindungselemente nur minimal. Dadurch bleibt die Vorspannung stabil und ein Lösen der Verbindung, das die Präzision beeinträchtigen könnte, wird verhindert.