切削BT20钛合金材料中刀具磨损研究

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内容摘要:
BT20钛合金是俄罗斯研制开发的一种重要结构材料，其主要特点是密度小但强度高，虽然密度只有4500kg/m3，但强度却是铝合金的10倍。作为典型的a+b相钛合金，既是一种综合性能很好的材料，同时又是典型的难加工材料，切削加工过程中刀具磨损情况非常严重。为降低企业成本，提高生产率，急需对该材料进行切削加工实验，了解刀具磨损原因并找出解决办法。1 BT20钛合金的铣削实验1) 实验设备及参数a. 机床类型：X62Wb. 刀具材料：YM30硬质合金c. 刀具几何参数：go=8°。
BT20钛合金是俄罗斯研制开发的一种重要结构材料，其主要特点是密度小但强度高，虽然密度只有4500kg/m3，但强度却是铝合金的10倍。作为典型的a+b相钛合金，既是一种综合性能很好的材料，同时又是典型的难加工材料，切削加工过程中刀具磨损情况非常严重。为降低企业成本，提高生产率，急需对该材料进行切削加工实验，了解刀具磨损原因并找出解决办法。本文就该问题进行了研究和探讨。

" z) d$ n5 @  P5 H( J0 a$ b1 BT20钛合金的铣削实验
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1) 实验设备及参数

+ }0 V! z8 k+ N: Z& T' ea. 机床类型：X62W
b. 刀具材料：YM30硬质合金
c. 刀具几何参数：go=8°；ao=5°；ls=0°
d. 切削用量：v=58.9m/min，f=0.254mm/r，ap=3mm
e. 切削方式：不对称顺铣
f. 观测仪器：SS550型电镜。
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2) 实验结果及分析

通过实验，BT20钛合金材料切削中刀具的主要磨损形态及原因如下：

1 I1 q) f" P! x$ ]% `9 Aa. 月牙洼磨损 如图1所示。刀具产生月牙洼的原因一方面是由于钛合金的变形系数小，切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增加；另一方面的原因是钛合金导热系数小，切屑与前刀面接触距离长，但接触长度极短，切削热不易传出，因此容易造成前刀面磨损。

) w& j" y: T7 J# o1 Eb. 后刀面的磨损 如图2所示，分析其原因，首先BT20钛合金的粘结特点比较突出；其次钛合金在较高的切削温度下与空气中的O、N、H元素发生化学反应形成脆硬层，更增加了刀具后刀面磨钝程度。
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: c7 z% I! a! x7 e7 ?; {c. 边界磨损和沟纹磨损 如图3所示，BT20钛合金化学活性大，容易形成脆硬层，故有时出现这种情况。边界磨损主要在主后刀面上，而沟纹磨损则在副后刀面上。

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图1 前刀面月牙洼磨损 图2 后刀面的磨损 图3 边界和沟纹磨损

在切削BT20钛合金的过程中，刀片的磨损不以单一的形式出现，往往可以观察到多种形式的磨损共存。而产生磨损的因素与切削温度高、材料硬化严重有直接关系。因此，控制切削温度和冷硬现象是切削BT20钛合金的关键。
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7 v/ ~2 [1 V( Q  ^8 k9 p" \2 改进BT20钛合金切削加工的措施

! h+ S9 Q( X( V. A1) 降低切削速度
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切削温度明显下降，既可以抑制切削热对刀具的磨损，又能延缓脆硬层的生成，从而提高刀具耐用度。为保证生产率，可适当加大切削深度作为弥补措施。
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2) 采用非常规切削方式
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* G. z: T3 ?5 o' M低温切削可有效降低切削区温度，延长刀具使用寿命；针对BT20钛合金化学活性大、容易生成TiO、TiN等脆硬层，可采用惰性气体保护切削方法来延缓刀具磨损。
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& F  q, h5 _& _% u& x6 U3 结论
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通过铣削实验，分析了切削BT20钛合金时刀具磨损的主要方式及原因，并提出了相应的办法和措施。