切削BT20钛合金材料中刀具磨损研究

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内容摘要:
9 [/ x& e, P& k6 J3 H) J3 t* H. `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。

1 BT20钛合金的铣削实验
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" I# @& G5 z8 g4 D# F/ i1) 实验设备及参数
6 E$ N* \  M6 \4 m
" c0 X: X, |2 Q2 |$ Ya. 机床类型：X62W
6 H5 U; K- b/ w5 m+ @b. 刀具材料：YM30硬质合金
c. 刀具几何参数：go=8°；ao=5°；ls=0°
5 y8 H6 Z- U+ ]. Id. 切削用量：v=58.9m/min，f=0.254mm/r，ap=3mm
e. 切削方式：不对称顺铣
, n% s" k8 D9 Q* K' K+ Mf. 观测仪器：SS550型电镜。

2) 实验结果及分析
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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：

% N+ d* p# h! p$ pa. 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。

b. 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。

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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6 |; e& A8 u) @4 x2 w; m/ K8 Y3 W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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2 改进BT20钛合金切削加工的措施
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1) 降低切削速度

# n  h. R9 Y6 n" s" x; R% ^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

) c, S, ?/ @% z8 \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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. s4 p1 v* F& r0 c3 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。