7075鋁合金加工表面質(zhì)量研究*

蔣宏婉，任仲偉，袁 森，周小容，岳 熙

(1.貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550003；2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

0 引言

作為典型航空鋁合金的7075_T651因其良好熱物性能，如高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、抗腐蝕等有益性能，被廣泛用于航空航天領(lǐng)域，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪、儀表配件等航空零部件。在7075鋁合金切削過(guò)程研究中發(fā)現(xiàn)，加工表面質(zhì)量對(duì)其服役能力有重要影響。GUPTA等[1]通過(guò)嘗試多種切削條件，獲得有利于降低表面粗糙度的清潔制造方法。劉梟等[2]基于液氮冷卻方式對(duì)7075鋁合金進(jìn)行正交切削實(shí)驗(yàn)，借助檢測(cè)儀器設(shè)備表征了加工表面形貌和鱗刺，分析了切削條件對(duì)加工表面鱗刺分布的影響。SEDIGHI等[3]分析了拉削參數(shù)對(duì)7075_T651鋁合金加工表面完整性的影響情況，發(fā)現(xiàn)表面硬度與拉削參數(shù)密切相關(guān)。TABEI等[4]]研究了車(chē)削工藝參數(shù)對(duì)7075鋁合金再結(jié)晶行為的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)合適的切削參數(shù)可獲得所需表層粒度的加工表面。WU等[5]重點(diǎn)關(guān)注7075加工表面殘余應(yīng)力與表面粗糙度之間的關(guān)系，結(jié)果表明表面殘余應(yīng)力隨表面粗糙度的增大而增大。KOUAM等[6]分析了干切削過(guò)程中7075_T6加工表面粗糙度與切削參數(shù)的關(guān)系。AKHTAR等[7]研究了車(chē)削參數(shù)對(duì)7075鋁合金切削去除率和加工表面粗糙度的影響情況，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。MALI等[8]重點(diǎn)分析了7075鋁合金銑削過(guò)程中的材料去除機(jī)制，并揭示了切削條件對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律。以上關(guān)于航空鋁合金加工表面質(zhì)量的研究多關(guān)注切削條件對(duì)加工表面粗糙度的影響和殘余應(yīng)力與粗糙度之間的關(guān)系，而鮮有關(guān)于7075航空鋁合金切削過(guò)程加工表面粗糙度與切削用量及表面硬度間的關(guān)聯(lián)作用。而實(shí)際切削過(guò)程中，3者之間有著不可忽略的影響，對(duì)7075航空鋁合金的切削加工過(guò)程調(diào)控有著重要支撐。

基于此，本文通過(guò)設(shè)計(jì)合理試驗(yàn)方案開(kāi)展切削試驗(yàn)與檢測(cè)分析，重點(diǎn)研究了切削用量對(duì)工件材料(7075_T651)切削表面微觀形貌和粗糙度的影響規(guī)律，分析粗糙度與表面顯微硬度間的關(guān)聯(lián)作用，對(duì)切削用量-加工表面硬度-表面粗糙度間的關(guān)聯(lián)作用都作了合理解釋。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

切削試驗(yàn)采用硬質(zhì)合金無(wú)涂層車(chē)刀切削直徑為80 mm的7075_T651航空鋁合金棒料，刀具和工件機(jī)械性能如表1所示，刀具幾何參數(shù)如表2所示。

表1 材料性能參數(shù)

表2 刀具幾何角度

該試驗(yàn)在C-6136HK數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行，通過(guò)設(shè)計(jì)配套的刀桿、刀架和定位底座，將Kistler測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行組裝[9]，搭建起合理切削試驗(yàn)平臺(tái)如圖1a和圖1b所示，根據(jù)試驗(yàn)方案把工件預(yù)先處理為多槽環(huán)形工件，預(yù)處理方案如圖1c和圖1d所示。

(a) 切削試驗(yàn)平臺(tái) (b) 切削力測(cè)量系統(tǒng)

(c) 工件預(yù)處理方案1 (d) 工件預(yù)處理方案2

結(jié)合研究對(duì)象特點(diǎn)、切削條件及試驗(yàn)方案可行性，設(shè)計(jì)合理試驗(yàn)方案，如表3所示。

表3 切削試驗(yàn)方案

在該切削試驗(yàn)過(guò)程中，每組試驗(yàn)制取相應(yīng)工件樣品，利用布魯克表面輪廓儀在加工表面1×1 mm的區(qū)域進(jìn)行粗糙度三維輪廓檢測(cè)，獲取每組試驗(yàn)加工表面粗糙度值和輪廓形貌，每組試驗(yàn)樣品檢測(cè)3個(gè)區(qū)域，從中選取相對(duì)最有效的1組數(shù)據(jù)作為該組試驗(yàn)加工表面粗糙度值[10]。完成粗糙度測(cè)量后，再進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，每組試驗(yàn)通過(guò)線切割進(jìn)行取樣，具體方案[11]如圖2所示。

(a) 工件取樣 (b) 切削表面硬度檢測(cè)

在樣品截面最靠近切削表面的區(qū)域沿周向等距間隔50 μm測(cè)試3點(diǎn)，硬度測(cè)試采用維氏顯微硬度計(jì)HMV-G，取算術(shù)平均值為該組試驗(yàn)的切削表面硬度值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削表面顯微硬度

為說(shuō)明切削過(guò)程不同切削條件對(duì)加工表面硬度的影響，基于已完成7075_T651鋁合金干切削表面做顯微硬度測(cè)試，經(jīng)過(guò)一定數(shù)據(jù)處理，獲得如圖3所示的切削用量對(duì)加工表面顯微硬度的影響情況。

(a) 切削速度對(duì)加工表面顯微硬度的影響 (b) 進(jìn)給速度對(duì)加工表面顯微硬度的影響

(c) 切深對(duì)加工表面顯微硬度的影響 (d) 切削用量對(duì)加工表面最大硬度差的影響

就圖3a而言，加工表面硬度最大出現(xiàn)在160 m/min工況下，大于或小于該切削速度，顯微硬度都相對(duì)小，最小出現(xiàn)在320 m/min工況下。繼續(xù)分析圖3b和圖3c發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)給速度的增大，表面硬度隨之減小，而最大顯微硬度值出現(xiàn)在0.05 mm/r的工況下，最小值則出現(xiàn)在0.25 mm/r工況下；在切深對(duì)表面硬度的影響曲線圖3c中，不難發(fā)現(xiàn)最大顯微硬度值在切深0.2 mm時(shí)獲得，最小顯微硬度則在0.1 mm工況下獲得。進(jìn)一步分析圖3中各組試驗(yàn)加工表面的壓痕形貌，發(fā)現(xiàn)加工表面硬度越大，壓痕邊緣越清晰明顯，加工表面硬度越小，壓痕邊緣越模糊不清，這是因?yàn)椴牧显接?，受載后塑性變形較小，材料越軟，受載后塑性變形越大。根據(jù)圖3d可知，對(duì)加工表面顯微硬度影響最大的是切深，其次是進(jìn)給速度，影響最小的是切削速度。

2.2 切削表面粗糙度

切削表面顯微硬度對(duì)表面質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生顯著影響，而影響顯著程度需要深入測(cè)試分析，因而需要在硬度檢測(cè)完畢之后，對(duì)相同樣品進(jìn)行表面粗糙度輪廓檢測(cè)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到如圖4所示表面粗糙度分析結(jié)果。

(a) 切削速度對(duì)加工表面粗糙度的影響 (b) 進(jìn)給速度對(duì)加工表面粗糙度的影響

(c) 切深對(duì)加工表面粗糙度的影響 (d) 切削用量對(duì)加工表面粗糙度最大幅值的影響

圖4所示為不同切削用量下所生成加工表面粗糙度的變化規(guī)律。根據(jù)圖4a所示結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同切削速度下所獲加工表面輪廓高度差變化不大；切削速度160 m/min為分界點(diǎn)，當(dāng)速度小于160 m/min，粗糙度隨著切削速度的增大而減小，當(dāng)速度大于160 m/min，粗糙度隨著切削速度的增大而增大，80 m/min工況下加工表面粗糙度最大，160 m/min工況下加工表面粗糙度最小。根據(jù)圖4b所示結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給速度對(duì)加工表面粗糙度的影響呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)規(guī)律，即隨著進(jìn)給速度的增大，粗糙度隨之增大，最小粗糙度出現(xiàn)在最小進(jìn)給速度0.05 r/min工況下，最大粗糙度則出現(xiàn)在0.25 r/min。再分析圖4c，亦出現(xiàn)分界點(diǎn)0.1 mm，當(dāng)切深小于0.1 mm，加工表面粗糙度與切深呈正相關(guān)，當(dāng)切深大于0.1 mm，加工表面粗糙度與切深近乎呈負(fù)相關(guān)，粗糙度最大值出現(xiàn)在0.1 mm工況下，最小值則出現(xiàn)在0.2 mm工況下。

為進(jìn)一步分析這3個(gè)切削用量對(duì)加工表面粗糙度的影響程度，整理獲得圖4d所示橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)表面粗糙度影響最大的是進(jìn)給速度，其次是切深，影響最弱是切削速度；在切削速度為變量的單因素試驗(yàn)中，最大粗糙度差為3.2 μm，在進(jìn)給速度為變量的單因素試驗(yàn)中，最大粗糙度差為3.38 μm，而在切削深度為變量的單因素試驗(yàn)中，最大粗糙度差為3.31 μm。3組試驗(yàn)中最大最小粗糙度輪廓形貌如圖3a～圖3c所示，亦可明顯看出進(jìn)給速度的變化導(dǎo)致粗糙度起伏相較于切削速度和切深是相對(duì)最明顯的。

2.3 關(guān)系模型建立與分析

圖5 材料單元靜剪差與加工表面顯微硬度的關(guān)系模型

基于上述研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，7075_T651鋁合金干切削過(guò)程切削用量-加工表面硬度-加工表面粗糙度之間有著嚴(yán)密的關(guān)聯(lián)性。切削用量直接影響了干切削過(guò)程剪切區(qū)材料熱力學(xué)行為，從而影響其應(yīng)變硬化效應(yīng)，最終體現(xiàn)為加工表面硬度差異化，而加工表面顯微硬度的不同，也伴隨著不同加工表面質(zhì)量的產(chǎn)生。為進(jìn)一步量化7075_T651鋁合金干切削過(guò)程加工表面硬度與表面粗糙度之間的關(guān)系，對(duì)已獲得的加工表面顯微硬度和粗糙度分析結(jié)果進(jìn)行二次處理，對(duì)二者關(guān)系進(jìn)行三次插值擬合，建立7075_T651鋁合金干切削過(guò)程加工表面硬度與表面粗糙度關(guān)系模型，如圖5所示。

由圖5可知，7075_T651鋁合金干切削過(guò)程加工表面硬度與表面粗糙度關(guān)系模型如式(1)所示。

Sa=0.0005HV3-0.2397HV2+37.577HV-1947.3

(1)

式中，HV表示加工表面顯微硬度；Sa為加工表面粗糙度。擬合相關(guān)系數(shù)為91.1%，說(shuō)明該三次插值關(guān)系模型可靠度較好。從圖5所示曲線的總體趨勢(shì)看，7075_T651鋁合金加工表面硬度與表面粗糙度呈負(fù)相關(guān)，表面顯微硬度越大，表面粗糙度越小，反之亦然，這說(shuō)明表面硬度越大，被外載荷破壞的難度越大，發(fā)生材料變形和斷裂的難度越大，因而產(chǎn)生表面輪廓溝壑越小，粗糙度也就越??；反之，表面硬度越小，被外載荷破壞的難度越小，發(fā)生材料變形和斷裂越容易，因而產(chǎn)生波動(dòng)越大的輪廓溝壑，表面粗糙度越大。根據(jù)式(1)，可由易測(cè)得的加工表面粗糙度，計(jì)算出表面顯微硬度，從而可預(yù)判在給定切削條件下7075_T651干切削過(guò)程所獲加工表面的服役性能。結(jié)合圖3和圖4可發(fā)現(xiàn)，切削速度為240 m/min、進(jìn)給速度為0.05 r/min、切深為0.15 mm和240 m/min、進(jìn)給速度為0.15 r/min、切深為0.2 mm兩個(gè)工況下可產(chǎn)生硬度大且粗糙度低的加工表面，能夠具有更強(qiáng)的抗塑性變形能力。

3 結(jié)論

通過(guò)搭建切削試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)7075_T651航空鋁合金在干車(chē)削過(guò)程切削用量對(duì)切削表面顯微硬度和粗糙度的影響及表面顯微硬度與粗糙度間的關(guān)聯(lián)作用進(jìn)行深入研究，在此基礎(chǔ)上建立7075_T651鋁合金在干車(chē)削過(guò)程的加工表面顯微硬度與粗糙度的關(guān)系模型。通過(guò)以上分析研究，得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)加工表面顯微硬度影響最大的是切深，其次是進(jìn)給速度，影響最小的是切削速度。加工表面硬度最大出現(xiàn)在160 m/min工況下，大于或小于該切削速度，顯微硬度都相對(duì)小，最小出現(xiàn)在320 m/min工況下；隨著進(jìn)給速度的增大，表面硬度隨之減??；切深對(duì)加工表面顯微硬度的影響規(guī)律性較弱。

(2)對(duì)表面粗糙度影響最大的是進(jìn)給速度，其次是切深，影響最弱是切削速度。表面硬度越大，被外載荷破壞的難度越大，發(fā)生材料變形和斷裂的難度越大，因而產(chǎn)生表面輪廓溝壑越小，粗糙度也就越小；反之，表面硬度越小，被外載荷破壞的難度越小，發(fā)生材料變形和斷裂越容易，因而產(chǎn)生波動(dòng)越大的輪廓溝壑，表面粗糙度越大。

(3)中等切削速度，中低進(jìn)給速度和中高切深切削條件下，更有利于產(chǎn)生硬度大且粗糙度低的加工表面，能夠具有更強(qiáng)的抗塑性變形能力。