低溫切削7075鋁合金鱗刺形成規(guī)律及抑制措施

劉 梟 鄧文君 陳海濤 張保玉

華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州，510641

0 引言

鋁合金具有密度低、強度質(zhì)量比大和耐疲勞性高等特點，常被用于制造飛機的結(jié)構(gòu)件和汽車車身[1-2]。切削加工是鋁合金零件的重要制造工藝，增大切削用量有利于提高材料去除率，但會使切削力、切削溫度過高，在已加工表面形成鱗刺、劃痕、凹坑等表面缺陷，降低表面完整性，影響零件的相互配合和使用壽命[3]。

切削液的使用有助于潤滑、冷卻切削區(qū)域，改善刀具和工件材料之間的接觸摩擦特性，減少表面缺陷。但是，使用切削液輔助加工會占據(jù)大量生產(chǎn)成本并造成環(huán)境污染[4]。此外，在一些精密儀器的鋁合金零件制造過程中，切削液的使用會降低零件表面耐腐蝕性，影響產(chǎn)品精度。液氮(liquid nitrogen, LN2)、液態(tài)CO2等冷卻介質(zhì)下的低溫切削因其具有優(yōu)良的冷卻效果、生態(tài)友好性和較高的應(yīng)用可行性而受到廣泛關(guān)注。許多學(xué)者針對難加工材料的低溫切削特性，如切削力[5-7]、刀具磨損[8-10]等進行了研究。除了材料的切削特性外，大量研究也集中于低溫加工制造的零件表面質(zhì)量。SARTORI等[11]分析了LN2冷卻方式對已加工表面缺陷、表面粗糙度和形貌的影響，結(jié)果表明，液氮低溫切削可以得到較好的表面質(zhì)量。BERTOLINI等[12]研究不同進給量下低溫切削Ti-6Al-4V的已加工表面形貌和粗糙度發(fā)現(xiàn)，常溫干切削下的工件表面缺陷是材料黏結(jié)、進給劃痕、裂紋和局部鱗刺，而低溫切削下的表面缺陷主要是溝槽、不規(guī)則的進給劃痕，結(jié)果表明，低溫切削能改善已加工表面質(zhì)量，抑制鱗刺、裂紋等表面缺陷的形成。這一結(jié)論在BAGHERZADEH等[13]的研究中得到了證實。GRABNER等[14]分別在常溫和低溫(-180 ℃)下沖壓5×××系鋁合金，對形成的零件表面進行觀測，得出低溫下的零件表面只存在微小表面痕跡的結(jié)果。通過常溫、低溫拉伸試驗，他們提出低溫有助于減弱塑性材料的Portevin-Le Chatelier效應(yīng)，使變形過程更加穩(wěn)定，有利于鋁合金的切削加工。SHOKRANI等[15]的研究表明，液氮冷卻低溫端銑削Ti-6Al-4V得到的工件表面污點、加工痕跡更少，表現(xiàn)出較為光滑的形貌。ROTELLA[16]進行7075鋁合金-T6的干切削、濕切削和低溫切削試驗，得到了低溫加工能有效降低零件表面粗糙度的結(jié)論。YIN等[17]將液氮冷卻和大應(yīng)變擠出切削結(jié)合，擠出切削制備超細晶7075鋁合金帶材，通過分析切屑形貌和微觀結(jié)構(gòu)，提出低溫能抑制Al7075的動態(tài)回復(fù)，提升變形過程中的位錯累積能力。

7×××系鋁合金在干切削條件下容易在表面析出Al7CuFe和Al2CuMg等硬脆相，在受到刀具擠壓作用后，顆粒-基質(zhì)結(jié)合處容易出現(xiàn)裂紋的擴展，從而使材料斷裂，降低已加工表面質(zhì)量[18]。而液氮能降低切削溫度，有助于抑制二次相的析出，改善鋁合金零件加工表面質(zhì)量。目前，低溫切削對表面完整性的研究大多集中在鈦合金、鎳基合金和鋁合金的表面缺陷和表面粗糙度，從量級上對表面缺陷和表面粗糙度進行分析，而對具體缺陷(如鱗刺)的形成機理尚未進行深入說明。

鱗刺是在已加工表面上的鱗片狀毛刺[19]。在較低及中等切削速度下，切削塑性材料易在表面形成鱗刺，使表面產(chǎn)生凹凸不平的形貌，增大表面粗糙度，降低零件的表面完整性。周澤華[20]通過金相顯微鏡觀測鱗刺晶粒，得出鱗刺并非積屑瘤的結(jié)論，并提出了鱗刺的形成可分為抹拭、導(dǎo)裂、層積和切頂四個階段。張東初等[21]研究了加工工藝對7075鋁合金緊固孔表面粗糙度的影響，結(jié)果表明鱗刺是影響加工表面質(zhì)量的主要因素，其形成受到切削速度和進給量的影響。何耿煌等[22]研究了鈦合金車削過程中鱗刺的生成規(guī)律，采用彎矩法解析鱗刺折斷過程，得到了大切削深度和小進給量有助于抑制鱗刺形成的結(jié)論。

研究鋁合金切削過程中鱗刺形成有助于理解其形成機理，通過優(yōu)化加工條件和采用液氮冷卻的方式抑制鱗刺形成，以獲得較為光整的零件表面，減少后續(xù)表面處理工序，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文主要研究了液氮冷卻和干切削下，7075鋁合金已加工表面鱗刺在不同切削參數(shù)下的分布和尺寸規(guī)律，進一步分析了切削參數(shù)和液氮冷卻對鱗刺形成的作用機理。

1 7075鋁合金切削試驗

1.1 試驗裝置

在普通車床(CA6140)上進行7075鋁合金液氮冷卻低溫切削和常溫干切削試驗，如圖1、圖2所示。低溫切削試驗前，調(diào)整好液氮罐和車床的位置，將工件預(yù)先放置于液氮環(huán)境中15 min以上，取出工件并迅速將其固定在車床三爪卡盤上，然后進行切削試驗。切削過程中用連接液氮罐的噴嘴從側(cè)面向切削刀具和工件的接觸區(qū)域持續(xù)噴射液氮，實現(xiàn)低溫冷卻。

圖1 低溫切削試驗流程

圖2 低溫切削現(xiàn)場試驗裝置

1.2 試驗材料

本次試驗所選取的工件是7075鋁合金-T6圓管，長度200 mm，圓管壁厚7 mm，外徑70 mm，化學(xué)成分見表1。為了得到具有過飽和固溶體狀態(tài)的7075鋁合金，在進行切削試驗前需要對工件進行固溶處理和時效處理。具體過程如下：首先將工件放入設(shè)置溫度為490 ℃的電阻爐內(nèi)保溫6 h，然后取出工件迅速放置于水中冷卻至室溫。

表1 Al7075的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

1.3 試驗參數(shù)

采用高速鋼刀具進行正交切削試驗，研究常溫(room temperature, RT)、低溫(cryogenic temperature, CT)環(huán)境下切削參數(shù)對7075鋁合金切削后工件表面鱗刺分布和尺寸的影響，并和切削液條件下的低速切削試驗結(jié)果進行對比，試驗切削工藝參數(shù)見表2。

表2 切削參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

使用Quanta 200掃描電子顯微鏡(scanning election microscope，SEM)對工件已加工表面的鱗刺分布進行觀測，得到鱗刺的形貌如圖3所示，可以清楚地看到表面存在魚鱗狀的凸起層狀缺陷即鱗刺。

(a)已加工表面形貌 (b)A1B1表面輪廓 (c)鱗刺截面

通過RTEC Dual-Mode 3D光學(xué)輪廓儀沿切削速度方向A1B1掃描，得到已加工表面輪廓曲線如圖3b所示，其中L為單個周期鱗刺的長度，H為單個周期鱗刺的高度。分別進行5次不同位置的測量線掃描，最后取平均值，得到鱗刺的高度和長度。

在金屬切削過程中，鱗刺的形成需要一定的溫度和壓力條件[23]。通過研究影響切削溫度、切削力、切削變形的因素，分析鱗刺的形成。

2.1 不同切削速度下液氮低溫切削對鱗刺的影響

切削速度對切削溫度、切削力和切削變形的影響尤為顯著，取進給量為0.3 mm/r，刀具前角為10°，對不同切削速度下常溫和低溫切削已加工表面形貌進行研究。

由圖4可以看出，在常溫切削速度92 mm/s下，已加工表面存在分布間距小且不均勻的毛刺。而在相同切削速度下進行低溫切削，其表面鱗刺分布密度顯著減少，間距增大。很顯然，在液氮冷卻作用下工件表面的鱗刺分布密度減小，低溫切削對鱗刺形成起到了抑制作用。這是因為在液氮作用下，接觸面溫度大幅下降，低溫下材料內(nèi)部積累了更多的位錯，起到了位錯強化的作用，從而增大了材料硬度，減弱了接觸面峰點之間的相互擠壓變形，使摩擦因數(shù)減小，切屑不易層積在前刀面上，因此無法滿足產(chǎn)生鱗刺的溫度和壓力條件，抑制了鱗刺的形成。此外，圖4c中鱗刺沿切削速度方向存在間斷區(qū)域，這是積屑瘤和切屑碎屑在已加工表面犁切引起的。隨著切削速度的增大，已加工表面鱗刺分布密度呈減小的趨勢，特別是在2053 mm/s時，表面幾乎無鱗刺分布。

(a)vc=92 mm/s,RT (b)vc=92 mm/s,CT

從圖5中可以看出，隨著切削速度的增大，常溫和低溫切削下的鱗刺高度和長度均呈減小的趨勢。這是因為切削速度增大，溫度上升，刀屑接觸面間的材料發(fā)生熱軟化，使接觸面摩擦阻力減小，切屑不易層積在前刀面上，切削過程平穩(wěn)，抑制了鱗刺的形成。與常溫切削相比，低溫切削的鱗刺高度和長度分別減小了31.46%～88.87%、20.12%～93.85%。尤其在切削速度為92 mm/s時，低溫切削使鱗刺高度從65.2 μm減小至19.67 μm，長度從993 μm減小至432 μm。很顯然，在不同切削速度下，低溫切削均有利于抑制鱗刺的形成。

圖5 不同切削速度下鱗刺高度和長度的變化情況

由圖4、圖5可以得出，低溫切削可以顯著抑制鱗刺的生成，減小鱗刺的分布密度和尺寸。在低速切削時，低溫對鱗刺的抑制作用最為明顯?？傮w而言，使用液氮冷卻低溫切削，并采用較大的切削速度，有利于抑制鱗刺的形成，得到最為光整的工件表面。

2.2 不同進給量下液氮低溫切削對鱗刺的影響

保持切削速度為2053 mm/s、刀具前角為10°，研究不同進給量下常溫和低溫切削已加工表面鱗刺的分布和尺寸。

由圖6可知，在0.2，0.3 mm/r的進給量下，常溫、低溫切削得到的工件已加工表面幾乎沒有鱗刺分布，這是由于較高切削速度和小進給量的共同作用。而隨著進給量增至0.4 mm/r，常溫下的工件已加工表面局部開始出現(xiàn)鱗刺，見圖6e。當(dāng)進給量達到0.5 mm/r時，圖6g所示的常溫切削已加工表面存在一個鱗刺分布較多的區(qū)域。這是因為隨著進給量的增大，切削厚度增大，使得刀-屑接觸長度增大，從而增大刀具前刀面和切屑的接觸面積，增大刀-屑之間的摩擦力，使得切屑更難從前刀面流出，進而層積在前刀面上，為鱗刺的形成提供了充分條件，在較高切削速度下產(chǎn)生局部小鱗刺。而液氮作為冷卻液使用的同時還可以作為潤滑劑，改善刀-屑接觸面的摩擦特性。在低溫切削條件下，即使在進給量達到0.5 mm/r時，工件表面仍較為平整、幾乎沒有大鱗刺?？梢?，低溫有助于在較大進給量切削下抑制鱗刺形成，得到較為光整的已加工表面零件。結(jié)合圖7可知，較小的進給量與低溫切削相結(jié)合能夠很大程度上抑制鱗刺的形成，但考慮到實際加工效率和成本，可選擇低溫切削，并使用較大的進給量，仍能夠得到較為光整的已加工表面。

(a)f=0.2 mm/r,RT (b)f=0.2 mm/r,CT

圖7 不同進給量下鱗刺高度和長度的變化情況

圖7表示不同進給量下鱗刺高度和長度的變化。隨著進給量的增大，鱗刺高度和長度均呈增大的趨勢，這和圖6中鱗刺的分布規(guī)律相符合。鱗刺高度和長度的最大值分別為22 μm、449 μm，遠小于低速切削時鱗刺的尺寸，這說明切削速度對鱗刺的形成起主要作用，進給量起次要作用。與常溫切削相比，低溫切削的鱗刺高度和長度分別減小了-28.1%～85.54%、-13.45%～80.48%。尤其在進給量為0.5 mm/r時，低溫切削使鱗刺高度從22 μm減小至3.18 μm，長度從449.6 μm減小至87.78 μm。低溫切削降低了切削區(qū)域溫度，刀具和切屑之間呈峰點接觸，不易發(fā)生冷焊，從而使切屑易從前刀面流出，減少前刀面層積金屬，抑制鱗刺形成。

2.3 不同刀具前角下液氮低溫切削對鱗刺的影響

保持切削速度為2053 mm/s，進給量為0.3 mm/r，研究不同前角下常溫和低溫切削已加工表面鱗刺的分布和尺寸。

從圖8中可得，常溫切削條件下前角為5°得到的工件表面存在較多的鱗刺，而隨著刀具前角的增大，表面鱗刺的分布密度逐漸減小。但在前角為15°時，表面存在一鱗刺分布較密的區(qū)域，如圖8e所示。這是由于刀具前角增大，楔角減小使得刀具散熱變差，切削溫度略微上升，促進了鱗刺的形成。在前角為20°時，工件表面幾乎沒有大尺度的鱗刺。這是因為刀具前角增大會使剪切角增大，切削變形、刀-屑接觸長度和摩擦減小，切屑和前刀面不易發(fā)生冷焊，從而抑制了鱗刺的形成。在圖8b所示的低溫、前角為5°切削條件下的工件表面存在局部小鱗刺，與常溫、前角為5°切削條件相比，鱗刺的形成被顯著抑制。其他前角下的低溫切削工件已加工表面均沒有明顯的鱗刺分布，這說明在不同前角下，低溫均有利于抑制鱗刺的形成。

(a)γ=5°,RT (b)γ=5°,CT

圖9表示不同刀具前角下鱗刺的高度和長度。常溫切削條件下，隨著前角的增大，鱗刺高度和長度總體上呈現(xiàn)減小的趨勢，這與圖8所示的鱗刺分布規(guī)律相符合。在前角為10°、15°時，鱗刺長度出現(xiàn)局部增大，這可能是由于刀具前角增大，楔角減小使得刀具散熱變差，切削溫度略微上升，促進了鱗刺的形成。而低溫切削條件下，鱗刺高度和長度尺寸極小，最大分別為0.886 μm、54 μm，且變化不明顯。這說明在切削速度為2053 mm/s、進給量為0.3 mm/r條件下，低溫切削得到的工件已加工表面幾乎沒有鱗刺形成?？傮w而言，使用不同前角刀具進行切削，低溫均有利于抑制鱗刺的形成，改善工件已加工表面質(zhì)量。

圖9 不同前角下鱗刺高度和長度的變化情況

2.4 不同冷卻條件下鱗刺的分布及高度

為進一步分析液氮冷卻低溫條件對鱗刺形成的抑制作用，取切削速度為92 mm/s、進給量為0.3 mm/r、刀具前角為10°，不同冷卻條件作對比。

由圖10可知，與常規(guī)干切削條件相比，使用切削液后，已加工表面鱗刺分布密度顯著減小，但仍然存在較小區(qū)域的鱗刺分布，對鱗刺的抑制作用不如液氮低溫切削條件。這是因為在鋁合金切削過程中，液氮的冷卻效果比常規(guī)切削液更好。圖10d表明，與干切削條件相比，使用切削液切削，已加工表面鱗刺高度大幅度減小，從65.20 μm減小至29.31 μm，而液氮冷卻條件下得到的鱗刺高度最低。這說明，液氮作為一種冷卻介質(zhì)，在抑制鱗刺形成方面，比切削液更好，低溫切削是一種可替代傳統(tǒng)切削液切削的綠色加工方式。

(a)干切削

3 討論

鱗刺是一個累積形成的過程，如圖11所示，鱗刺形成過程分為四個階段[20]：

(1)抹拭階段。如圖11a所示，切屑沿著前刀面流出，以剛生成的表面抹拭前刀面，將其峰值凸點抹平，增大冷焊面積。在這個階段，刀具與切屑之間的摩擦因數(shù)μ逐漸增大，導(dǎo)致摩擦力Ff相應(yīng)增大，使切屑流出更加困難，流出速度vch逐漸減小。

(2)導(dǎo)裂階段。當(dāng)摩擦力Ff增大至切屑無法流出即流出速度vch=0時，切屑在刀具前刀面產(chǎn)生滯留現(xiàn)象。此時，切屑會代替前刀面擠壓切削層，刀具只起支撐作用。由于摩擦角β增大，導(dǎo)致剪切角φ減小，材料變形程度減小，切屑難以沿著第一變形區(qū)繼續(xù)進行剪切滑移。所以，在這個過程中，滯留的切屑材料與已加工表面層材料會產(chǎn)生撕裂，方向見圖11層積階段的受力分析，切屑與已加工表面之間出現(xiàn)裂口，即導(dǎo)裂。

(3)層積階段。隨著切削的進行，材料在導(dǎo)裂階段的切屑下方不斷堆積，并擠壓切削層。這個過程中，導(dǎo)裂階段的撕裂程度不斷增大，使切屑與已加工表面之間的裂紋不斷向基體材料內(nèi)延伸，增大了工作切削厚度hD和切削力Fc、Fp。

(4)切頂階段。當(dāng)切削力增大到能夠使切屑克服前刀面摩擦力重新流出時，切削刃便沿著切削方向切出鱗刺的頂部，見圖11d，形成了一個鱗刺。

(a)抹拭階段 (b)導(dǎo)裂階段

由鱗刺形成過程可知，鱗刺形成的關(guān)鍵在于切屑在刀具前刀面滯留，層積在前刀面上。層積金屬是構(gòu)成鱗刺的充分必要條件[24]。層積過程和刀具與切屑之間的摩擦條件有關(guān)，受刀具幾何特征、加工參數(shù)等因素影響，主要表現(xiàn)在刀具前角、切削速度、進給量和冷卻潤滑條件，其綜合作用確定摩擦特性。

為分析液氮低溫條件對鱗刺形成階段的影響，取切削速度為92 mm/s、進給量為0.3 mm/r、刀具前角為10°，常溫(RT)和低溫(CT)切削后已加工表面的鱗刺橫截面如圖12所示，其鱗刺形貌同圖11d所示的形狀，具有較好的一致性，一定程度上驗證了鱗刺形成模型的準確性。

(a)常溫干切削 (b)低溫切削

鱗刺的分布和尺寸結(jié)果表明切削速度是影響鱗刺形成的主要因素。切削速度關(guān)系到切削溫度和材料應(yīng)變率，通過改變材料力學(xué)性能來影響切削過程。材料的熱軟化效應(yīng)受切削溫度的影響，隨切削速度的增大而增大。圖4和圖5證實了鱗刺的形成受切削速度的影響，隨著切削速度的增大，鱗刺分布密度逐漸降低，且尺寸也發(fā)生相應(yīng)變化，這和文獻[25]中的鱗刺高度和根部厚度隨切削速度變化的規(guī)律一致。采用小進給量和大的刀具前角也能達到相同的作用趨勢，但作用程度遠比不上切削速度，這一點從圖7和圖9中的鱗刺尺寸變化趨勢可以看出。很顯然，在保持切削速度不變的情況下，改變進給量和前角導(dǎo)致的鱗刺尺寸變化遠小于改變切削速度導(dǎo)致的鱗刺尺寸變化。文獻[26]也提出切削速度是影響鱗刺形成的主要因素。在鱗刺形成過程中，較高的切削速度使材料發(fā)生熱軟化，接觸面摩擦阻力減小，切屑不易層積在前刀面上，鱗刺的形成無法經(jīng)過完整的導(dǎo)裂階段，最終抑制了鱗刺成形。

在液氮冷卻條件下，切削區(qū)溫度極大程度降低，減弱了材料的熱軟化作用，同時液氮可作為潤滑劑減小刀-屑接觸面的摩擦，兩者共同作用使得鱗刺的形成無法經(jīng)過完整的導(dǎo)裂階段，抑制了鱗刺成形，即使在低、中速下已加工表面鱗刺仍較小。如圖12所示，低溫下的裂紋擴展長度遠小于常溫，這說明低溫有助于抑制鱗刺形成導(dǎo)裂階段中裂口的擴展。

進給量關(guān)系到切削過程的工作切削厚度，切屑厚度因此會隨著進給量的增大而增大。位于刀具前刀面上的切屑可簡化看作懸臂梁，切屑厚度的增大會使切屑剛度增大，更難以發(fā)生遠離前刀面的彎曲，這一觀點和文獻[27]的結(jié)論一致。所以刀具和切屑的實際接觸長度增大，其接觸面積也隨之增大，導(dǎo)致刀-屑接觸面摩擦力增大，使得切屑難以從前刀面流出，層積在前刀面上，為鱗刺形成的導(dǎo)裂階段提供了前置條件。

刀具前角通過改變切削過程中的剪切角來影響鱗刺形成，即由材料塑性變形引起溫升和切削力變化。刀具前角越大，剪切角越大，材料塑性變形和刀-屑接觸長度越小，同時液氮更容易滲透進切削區(qū)域，切削區(qū)域的溫度和壓力較小，無法滿足發(fā)生冷焊的條件，切屑能夠順利從前刀面流出，不會形成層積金屬，所以鱗刺形成受到抑制，這和圖8和圖9中的鱗刺分布和尺寸變化規(guī)律相符合。

綜上所述，切削速度、進給量、刀具前角和液氮冷卻都是通過改變刀-屑接觸區(qū)摩擦特性，進而改變前刀面上切屑的層積程度，影響鱗刺形成的導(dǎo)裂過程；層積金屬是鱗刺形成的充分必要條件。

4 結(jié)論

本文采用不同切削參數(shù)對7075鋁合金進行了常溫、低溫切削試驗，分析了切削速度、進給量和刀具前角與鱗刺分布和尺寸之間的關(guān)系；對比了干切削、切削液、液氮冷卻條件對已加工表面的鱗刺分布及高度的影響。得到的結(jié)論如下：

(1)鱗刺形成是一個累積的過程，關(guān)鍵在于切屑在刀具前刀面滯留，層積在前刀面上，層積金屬是構(gòu)成鱗刺的充分必要條件。

(2) 增大切削速度和刀具前角、減小進給量主要是通過改善刀-屑接觸面摩擦特性，減少前刀面上切屑的層積，抑制鱗刺形成的導(dǎo)裂階段，從而抑制鱗刺成形。低溫切削主要是通過液氮降低切削溫度，減少接觸面摩擦，減輕前刀面的切屑層積，抑制鱗刺的形成。

(3)與常溫切削相比，低溫切削有利于抑制鱗刺的形成，得到鱗刺分布較少、尺寸較小的表面，從而降低大切削用量對表面完整性的不利影響，實現(xiàn)高速、大進給量的切削加工，在材料去除率較高的同時，獲得較小的分布密度和尺寸的鱗刺表面，減少工件的后處理工序和成本。

(4)選用較大的切削速度、較小的進給量和較大刀具前角進行加工能夠有效抑制鱗刺的形成，得到較為光整、幾乎無鱗刺分布的表面。