鋁鋰合金切削加工試驗(yàn)研究進(jìn)展*

閆 冬，李國(guó)和，王 豐，范建勛，王大春

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

鋁鋰合金具有相對(duì)較低的密度、較高的比強(qiáng)度和比剛度、較好的疲勞性能和耐久性等諸多優(yōu)越的性能，是近年來發(fā)展最快的先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)材料之一，在航空航天以及機(jī)械制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1–3]。在航空領(lǐng)域，鋁鋰合金被廣泛用于制造機(jī)身框架、地板梁、翼肋等零部件[4]。在航天領(lǐng)域，鋁鋰合金主要用于制造大型運(yùn)載器的低溫推進(jìn)劑貯箱以及結(jié)構(gòu)件等[5]，如圖1所示。

圖1 鋁鋰合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.1 Application of Al-Li alloy in aerospace field

目前，鋁鋰合金常用的加工方式為化學(xué)銑削[6–7]，其原理如圖2所示。雖然化學(xué)銑削加工具備不產(chǎn)生切削應(yīng)力、優(yōu)化工件表面物理性能等優(yōu)點(diǎn)，但也存在加工尺寸精度低、抗疲勞性低、報(bào)廢率高、污染環(huán)境等問題。因此，近年來開始采用機(jī)械銑削進(jìn)行替代加工。但鋁鋰合金質(zhì)地較軟，切削加工時(shí)容易出現(xiàn)黏附磨損，影響加工效率和質(zhì)量。本文對(duì)近年來鋁鋰合金切削領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)分析切削力、切削溫度、加工表面質(zhì)量和刀具磨損以及參數(shù)優(yōu)化方面的研究結(jié)果，指出當(dāng)前存在的問題以及今后可能的發(fā)展方向。

圖2 化學(xué)銑削的原理[6]Fig.2 Principle of chemical milling[6]

1 切削變形的研究

切削變形直接影響切屑處理以及切削力和切削熱的產(chǎn)生，進(jìn)而影響工件加工表面質(zhì)量和刀具壽命，因此，切削變形一直是金屬切削加工研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。切削加工的實(shí)質(zhì)是被切削層材料在刀具的推擠作用下發(fā)生彈塑性變形，達(dá)到斷裂極限時(shí)與基體材料分離形成切屑。切屑能充分體現(xiàn)切削變形，因而對(duì)鋁鋰合金切削變形的研究是通過切屑分析實(shí)現(xiàn)的。

李慧中等[8]通過8090鋁鋰合金和LC4鋁合金的干車削試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩者切屑的差異，發(fā)現(xiàn)8090鋁鋰合金在低速區(qū)和高速區(qū)均產(chǎn)生帶狀切屑；LC4鋁合金在低速區(qū)產(chǎn)生C形切屑，在中、高速區(qū)產(chǎn)生帶狀切屑。李強(qiáng)強(qiáng)等[9]采用TiN涂層刀具、硬質(zhì)合金刀具和TiAlN涂層刀具對(duì)2198–T8鋁鋰合金進(jìn)行切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)TiN涂層刀具斷屑均勻，切屑表面較為光滑，切屑塑性變形最小，多為C形屑 （圖3（a））；在軸向切深和進(jìn)給量一定的情況下，當(dāng)vc≤21.9 m/min時(shí)，TiAlN涂層刀具切削鋁鋰合金產(chǎn)生片狀切屑（圖3（b））與帶狀切屑 （圖3（c））；當(dāng)vc> 21.9 m/min時(shí)，開始出現(xiàn)螺旋狀切屑 （圖3（d））。

圖3 鋁鋰合金切屑形態(tài)[9]Fig.3 Chip morphology of Al–Li alloy[9]

Niu等[10]采用干式切削方式，對(duì)2A97鋁鋰合金進(jìn)行端面銑削，發(fā)現(xiàn)在切屑形成過程中，切屑內(nèi)部發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，而切削速度對(duì)摩擦痕跡和片狀切屑邊緣的形成至關(guān)重要。也有學(xué)者對(duì)與鋁鋰合金性能較為相近的7075鋁合金的切削變形進(jìn)行了研究[11]。Ye等[12]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)時(shí)效處理的7075鋁合金出現(xiàn)鋸齒狀切屑的臨界切削速度為270 m/min。Jomaa等[13]的試驗(yàn)表明，7075–T7651鋁合金出現(xiàn)鋸齒狀切屑的臨界切削速度低于156 m/min；出現(xiàn)這種差別的主要原因在于材料的硬度以及刀具前角的不同。Das等[14]對(duì)7075鋁合金進(jìn)行車削試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)切削參數(shù)較低時(shí)，切屑為長(zhǎng)緊卷屑，隨著每齒進(jìn)給量與軸向切深的增加，開始出現(xiàn)螺卷屑；在較高的主軸轉(zhuǎn)速下，出現(xiàn)長(zhǎng)而連續(xù)的帶狀螺旋屑；在進(jìn)給0.1 mm/r和軸向切深0.5 mm時(shí)觀察到短鋸齒屑，而在高速加工下會(huì)出現(xiàn)較短的帶狀屑。殷繼花等[15]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度為960 m/min時(shí)，鋸齒形切屑在切屑厚度較大的一側(cè)出現(xiàn)，并隨著切屑厚度的減小而逐漸消失，變?yōu)榫鶆驇钋行?。Cagan等[16]在干切和MQL條件下對(duì)7075–T6鋁合金進(jìn)行切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在MQL環(huán)境下加工得到的切屑比干切時(shí)更長(zhǎng)，說明MQL條件下產(chǎn)生的切削熱更容易由切屑排出。

在鋁鋰合金切削加工的過程中，隨著切削速度的逐漸提高，切削過程逐漸平穩(wěn)，切削力的波動(dòng)較小，切屑寬度無明顯變化，但切屑厚度更加均勻，切屑形態(tài)更穩(wěn)定；隨著進(jìn)給速度的逐漸提高，切削力隨之增大，切屑的塑性變形更加顯著，切屑也更加彎曲；當(dāng)軸向切深較小時(shí)，多出現(xiàn)窄長(zhǎng)狀切屑，隨著軸向切深的增加，切屑寬度明顯增加，切屑厚度雖然更加均勻，但切屑卷曲程度更大，塑性變形增大。軸向切深的增加，需要更大的切削力，從而引起更大程度的塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致螺旋狀切屑的出現(xiàn)。

2 切削力的研究

切削力被認(rèn)為是切削加工的主要現(xiàn)象之一，對(duì)切削加工的穩(wěn)定性、刀具壽命、系統(tǒng)變形及加工質(zhì)量都有重要影響。

徐海進(jìn)等[17]對(duì)Al–Cu–Li系鋁鋰合金進(jìn)行切削力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每齒進(jìn)給量與切削力成正比，n<15000 r/min時(shí)，隨著切削速度的增大，應(yīng)變率增加，應(yīng)變率硬化程度增大，剪切力增大，使得切削力有增大的趨勢(shì)；n>15000 r/min時(shí)，切削速度相對(duì)較高，隨著切削速度的提高，材料熱軟化的作用增強(qiáng)，緩和了切削力的增大趨勢(shì)，與7085、2024和6061這3種常用鋁合金切削力的對(duì)比試驗(yàn)表明，Al–Cu–Li系鋁鋰合金與這3種材料銑削力的變化趨勢(shì)大致相同，數(shù)值差別也不大，但更接近于7085鋁合金的切削力，采用硬質(zhì)合金刀具切削鋁鋰合金時(shí)，刀具磨損對(duì)切削力影響較大，刀具的螺旋角對(duì)切削力也有一定影響。Mou等[18]進(jìn)行了2060鋁鋰合金的單因素銑削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在軸向切深為3.2 mm，每齒進(jìn)給量為0.1 mm/z時(shí)，徑向切深與切削力正相關(guān)。呂巖[19]開展了2060鋁鋰合金高速銑削正交試驗(yàn)，對(duì)切削力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)n<14000 r/min時(shí)，切削合力隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大；主軸轉(zhuǎn)速14000 r/min 18000 r/min時(shí)，切削合力隨切削速度的增大而增大。雷忠潭[20]采用極差法分析了2195鋁鋰合金正交試驗(yàn)的切削力數(shù)據(jù)，揭示了加工參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)軸向切深與每齒進(jìn)給量對(duì)切削力存在較大影響，切削力隨軸向切深和每齒進(jìn)給量的增加而迅速增大，軸向切深的增大意味著切削寬度的增大，增大了剪切面積，導(dǎo)致切削力增大；每齒進(jìn)給量的增大使得切削厚度增大，變形抗力增加，從而導(dǎo)致切削力增大；n< 2800 r/min時(shí)切削力隨著切削速度的增大而增大，n> 2800 r/min時(shí)切削合力隨著切削速度的增大而減小，這也是應(yīng)變率硬化和熱軟化共同作用的結(jié)果。李強(qiáng)強(qiáng)等[9]的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，TiN涂層刀具具備優(yōu)越的抗黏附性，采用其切削時(shí)產(chǎn)生的切削力遠(yuǎn)比采用硬質(zhì)合金刀具和TiAlN涂層刀具時(shí)低。在具有一定參考性的7075鋁合金切削力方面，李戶航等[21]發(fā)現(xiàn)，隨著主軸轉(zhuǎn)速n的提高，切削速度增大，各切削分力不斷減小。Luo等[22]通過7075–T7651鋁合金切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度在160～280 m/min之間時(shí)，切削力與切削速度正相關(guān)；當(dāng)切削速度大于280 m/min時(shí)，切削力與切削速度負(fù)相關(guān)，同時(shí)切削力隨進(jìn)給量和切削深度的增加而增大。Zhang等[23]同樣發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度在500～1000 m/min之間時(shí)，各切削分力隨著切削速度增大不斷減小，其主要原因在于切削速度的增大導(dǎo)致摩擦角減小，剪切角增大，變形系數(shù)減小以及材料的熱軟化作用，而切削力與切削深度和進(jìn)給速度呈正相關(guān)。Sethupathy等[24]對(duì)7075–T6鋁合金進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度為75～115 m/min時(shí)，切削力隨切削速度的增加而減小；當(dāng)切削速度大于115 m/min時(shí)，切削力隨切削速度的增加而增大，這可能是受到刀具磨損的影響。

可以看出，目前所得的切削力隨切削參數(shù)的變化規(guī)律并不一致，出現(xiàn)爭(zhēng)議的主要原因在于切削力與工件材料、刀具種類相關(guān)，相關(guān)學(xué)者在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)采用的工件材料與刀具存在差異，不同的材料與刀具在不同的切削參數(shù)下所測(cè)得的切削力也會(huì)存在一定的差異，從而導(dǎo)致得出的結(jié)論并不一致?？傮w來看，對(duì)切削力影響最大的因素為軸向切深ap，其次是每齒進(jìn)給量fz，然后是徑向切深ae，最后是主軸轉(zhuǎn)速n。在切削分力中，徑向力Fx最大，切向力Fy次之，軸向力Fz最小。

3 切削溫度的研究

作為切削機(jī)理研究中的一個(gè)重要組成部分，切削溫度對(duì)切削力、刀具磨損、加工表面殘余應(yīng)力等方面的影響較大，因此也是研究的重點(diǎn)之一。切削溫度的測(cè)量主要有電阻法、熱電偶法、表面涂層法和紅外熱像儀測(cè)量法等[25]。

一些學(xué)者采用紅外熱像儀對(duì)鋁鋰合金的切削溫度進(jìn)行了測(cè)量。楊吟飛等[26]在采用紅外熱成像法進(jìn)行切削溫度測(cè)量時(shí)，對(duì)鋁鋰合金表面發(fā)射率進(jìn)行了標(biāo)定，得到已加工表面的發(fā)射率ε為 0.16 ～ 0.2，研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)加工過程中，最高溫度主要集中在刀尖處，n= 9000 r/min，fz= 0.2mm/z，ae= 2 mm，ap= 10 mm時(shí)，最高溫度可以達(dá)到158.2 ℃。牟海闊[27]對(duì)高速銑削2A97鋁鋰合金的銑削溫度進(jìn)行試驗(yàn)研究，同樣發(fā)現(xiàn)溫度最高點(diǎn)始終存在于刀尖位置，且由于切削熱量的不斷積累而隨之升高，研究表明，隨著主軸轉(zhuǎn)速n、每齒進(jìn)給量fz和徑向切深ae的不斷增加，切削溫度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。楊吟飛等[26]的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度的提高，切削力不斷增大，產(chǎn)生的熱量增多，從而導(dǎo)致切削溫度不斷升高；切削溫度的增加在n= 12000 r/min之后有所減緩，是由于在高速切削加工中切屑帶走了更多的熱量；每齒進(jìn)給量的增加，會(huì)直接引起切屑厚度的增加，使得變形產(chǎn)生的熱量不斷增加，最終導(dǎo)致切削溫度的升高；徑向切深的增大，會(huì)導(dǎo)致材料的去除量增加，從而導(dǎo)致切削力增大，產(chǎn)生的熱量多，切削溫度也隨之升高。

也有學(xué)者采用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫。楊吟飛等[26]通過夾絲熱電偶法研究鋁鋰合金的切削溫度，結(jié)果表明，切削速度、每齒進(jìn)給量都與銑削溫度呈正相關(guān)關(guān)系，且在主軸轉(zhuǎn)速n= 18000 r/min的條件下，切削溫度低于400 ℃；在主軸轉(zhuǎn)速n= 6000 r/min的條件下，切削溫度低于200 ℃。牟海闊[27]選用T型熱電偶測(cè)量2060鋁鋰合金的切削溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于干切工況，采用合理的液氮低溫冷卻可使最高溫度下降50%左右，表明選用合理的液氮低溫冷卻能顯著降低切削溫度，在采用冷卻刀具的情況下，工件表面溫度可以達(dá)到50 ℃左右，降溫程度相對(duì)較?。欢趯?duì)工件進(jìn)行預(yù)冷的情況下，工件表面溫度則顯著降低，并在–5 ℃上下波動(dòng)，說明采用工件預(yù)冷的方式更能有效降低工件表面溫度。Denkena等[28]的研究表明，相比未倒棱立銑刀，倒棱立銑刀增加了立銑加工過程的穩(wěn)定性，但同時(shí)也產(chǎn)生了更多的熱量，使工件上容易形成剛性降低的熱軟化區(qū)域，并認(rèn)為提高每齒進(jìn)給量可以降低工件表面的最高溫度。

也有學(xué)者對(duì)材料性能相近的7075鋁合金進(jìn)行了切削溫度的研究。李戶航等[21]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量fz、徑向切深ae和軸向切深ap的增大，切削溫度也隨之升高。Luo等[22]通過對(duì)7075–T7651鋁合金進(jìn)行切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，切削溫度隨切削速度先增大后減小，隨進(jìn)給量的增加而增大，而切削深度對(duì)切削溫度影響較小。Zhang等[23]發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度從250 m/min增加到1000 m/min時(shí)，切削溫度隨著切削速度的增加而增加；當(dāng)切削速度達(dá)到1000 m/min后，切削溫度開始下降，切削溫度與切削深度正相關(guān)，在低進(jìn)給速度下，切削溫度隨著進(jìn)給速度的增加而升高；當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到0.12 mm/z時(shí)，切削溫度開始趨于平緩。

目前所得到的關(guān)于切削溫度與每齒進(jìn)給量之間變化規(guī)律的結(jié)論并不一致，爭(zhēng)議點(diǎn)主要集中在提高每齒進(jìn)給量是否可以降低工件的最高溫度，出現(xiàn)以上爭(zhēng)議的主要原因在于切削溫度與刀具磨損以及鋁鋰合金的種類相關(guān)，相關(guān)學(xué)者在試驗(yàn)時(shí)所采用的刀具種類、鋁鋰合金的型號(hào)各不相同，而不同刀具在不同切削速度下的磨損程度也不相同，所產(chǎn)生的熱量存在差異，導(dǎo)致得出的切削溫度相關(guān)結(jié)論并不一致。

4 表面質(zhì)量的研究

工件的耐腐蝕性、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、使用性能以及使用壽命在某種程度上是由表面質(zhì)量決定的，同時(shí)表面質(zhì)量也是衡量工件服役性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此國(guó)內(nèi)外研究人員從表面粗糙度Ra、表面裂紋、加工硬化以及殘余應(yīng)力等方面對(duì)工件的表面質(zhì)量進(jìn)行了研究。

4.1 表面粗糙度

表面粗糙度對(duì)工件的疲勞強(qiáng)度、服役性能以及配合的平穩(wěn)性都有較大影響，是評(píng)價(jià)表面質(zhì)量的一項(xiàng)重要參數(shù)。

李慧中等[8]對(duì)8090鋁鋰合金和LC4鋁合金分別進(jìn)行車削試驗(yàn)，對(duì)比分析結(jié)果表明，兩者車削表面粗糙度的差異不大，Ra均為0.35～0.46 μm。Rong等[29]對(duì)Al–Cu–Li系鋁鋰合金進(jìn)行單因素銑削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，切削速度對(duì)Ra的影響沒有明顯的規(guī)律，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，隨著每齒進(jìn)給量的增大，切削力不斷增加，刀具與工件之間的振動(dòng)明顯加劇，每齒進(jìn)給量的增加，會(huì)引起殘留高度的增大與鱗刺現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致Ra不斷增大。徐海進(jìn)[30]利用單因素銑削試驗(yàn)進(jìn)行Al–Cu–Li系鋁鋰合金和7085鋁合金表面粗糙度的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)鋁鋰合金表面粗糙度隨切削速度和每齒進(jìn)給量的變化與7085鋁合金相似，表面粗糙度隨切削速度的變化規(guī)律不明顯，與每齒進(jìn)給量呈正相關(guān)關(guān)系，總體上，鋁鋰合金的已加工表面粗糙度往往小于7085鋁合金。

張興振等[31]對(duì)2060–T8鋁鋰合金的銑削試驗(yàn)表明，Ra隨著軸向切深、每齒進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，且Ra隨著徑向切深先減小后增大，臨界徑向切深為4 mm，其主要原因在于隨徑向切深增加的切削溫度在一定程度上可以抑制積屑瘤的產(chǎn)生，從而改善表面質(zhì)量。呂巖[19]采用極差法對(duì)2060鋁鋰合金高速銑削后的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著每齒進(jìn)給量的增加，Ra逐漸增大；當(dāng)徑向切深增大時(shí)，Ra先增大后減小，當(dāng)徑向切深為3.2 mm時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增大時(shí)，Ra先增大后減小，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為18000 r/min時(shí)達(dá)到極小值 （Ra= 0.1959 μm），隨后又出現(xiàn)上升趨勢(shì)；當(dāng)軸向切深增加時(shí)，表面粗糙度值趨于平穩(wěn) （Ra= 0.2151～ 0.2677 μm）。雷忠潭[20]對(duì)2195鋁鋰合金進(jìn)行了銑削試驗(yàn)，認(rèn)為表面粗糙度隨徑向切深增加而先減小后增大，臨界徑向切深為2.4 mm，當(dāng)1500 r/min

相關(guān)學(xué)者也研究了不同切削環(huán)境下表面粗糙度的變化規(guī)律。丁悅等[33]的試驗(yàn)表明，同一切削參數(shù)下平直處表面質(zhì)量 （Ra= 0.171～0.556 μm）要比拐角處表面質(zhì)量好得多 （Ra= 0.497～1.434 μm），這是因?yàn)榧庸す战菚r(shí)，機(jī)床主軸所受載荷不穩(wěn)定，易于發(fā)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致拐角處表面質(zhì)量變差。在選定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，無論平直處和拐角處，vc= 628.32 m/min、fz= 0.08 mm/z、ap= 1 mm、ae= 3.5 mm時(shí)，能夠獲得最好的表面質(zhì)量。滾壓強(qiáng)化是利用金屬的冷塑性，使用滾壓工具對(duì)工件表面施加壓力，進(jìn)而使得工件表層金屬發(fā)生彈塑性變形，形成冷作硬化，引入殘余壓應(yīng)力，并降低表面粗糙度，達(dá)到提高工件的抗疲勞性、耐久性等服役性能的目的。牟海闊[27]在干切、液氮環(huán)境下對(duì)鋁鋰合金進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，研究了切削三要素與上一道滾壓工藝對(duì)2060–T8鋁鋰合金表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)給方向與滾壓方向呈30°時(shí)，表面粗糙度取得最小值 （干切Ra= 0.438 μm，液氮Ra= 0.612 μm），相對(duì)于干切工況，在選用液氮低溫冷卻時(shí)，工件的表面粗糙度平均增大了77%；當(dāng)滾壓角度為30°時(shí)，液氮冷低溫卻和干切工況都可以獲得最小的表面粗糙度 （干切Ra= 0.552 μm，液氮Ra= 0.562 μm）。也有學(xué)者對(duì)相近材料7075鋁合金的表面粗糙度進(jìn)行了研究。Kouam等[34]通過對(duì)7075–T6進(jìn)行試驗(yàn)，觀察到在1.75 mL/min的MQL流速下能夠得到比3 mL/min的MQL流速以及干燥條件下更好的表面質(zhì)量。Cagan等[16]采用干切和MQL對(duì)Al7075–T6鋁合金進(jìn)行試驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)MQL條件下與干切條件下的測(cè)試結(jié)果相比，工件的表面質(zhì)量得到了改善，MQL條件下的表面粗糙度比干切低15%。

工件的表面粗糙度也會(huì)對(duì)其耐腐蝕性產(chǎn)生一定程度的影響。Xue等[35]基于靜電場(chǎng)理論，利用開爾文探針技術(shù)發(fā)現(xiàn)2297鋁鋰合金的電子逸出功與表面粗糙度正相關(guān)，得出了表面表面粗糙度越大，耐腐蝕性越差的結(jié)論。Niu等[36]的試驗(yàn)表明，2A97鋁鋰合金試樣的表面越粗糙，表面活性越強(qiáng)，越容易發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致耐腐蝕性降低。Liu等[37]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2297鋁鋰合金表面粗糙度較低時(shí)，點(diǎn)蝕敏感性較低，點(diǎn)蝕速率較慢，耐腐蝕性相對(duì)較好。Niu等[38]根據(jù)2A97鋁鋰合金加工表面的電化學(xué)阻抗譜測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銑削表面的粗糙度越小，耐腐蝕性越好，利用電化學(xué)阻抗譜形狀建立了等效電路，進(jìn)而證實(shí)了2A97鋁鋰合金銑削加工表面相比機(jī)械磨拋處理表面在耐腐蝕性能上的優(yōu)越性。

從現(xiàn)有的研究來看[10]，對(duì)工件表面粗糙度的影響程度最大的是每齒進(jìn)給量fz，其次是軸向切深ap，然后是徑向切深ae，最后是主軸轉(zhuǎn)速n，且在進(jìn)給量和軸向切深較低的情況下所獲得的工件表面粗糙度更小。Ra在一定范圍內(nèi)隨著切削速度的增大而減小，超出此范圍后隨著切削速度的增大而增大。

4.2 表面殘余應(yīng)力

表面殘余應(yīng)力是由切削過程中塑性變形與切削熱的共同作用引起的，對(duì)工件的綜合性能以及使用壽命影響很大，是表面質(zhì)量的一項(xiàng)重要參數(shù)。

Rong等[29]發(fā)現(xiàn)Al–Cu–Li系鋁鋰合金經(jīng)高速銑削后表面呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，但數(shù)值不大。隨著切削速度的提高以及每齒進(jìn)給量的增大，殘余應(yīng)力也逐漸增大，并且當(dāng)n= 18000 r/min，fz= 0.2 mm/z，ap= 10 mm，ae= 2 mm時(shí)表面殘余應(yīng)力達(dá)到最大 （X向?yàn)?9 MPa，Y向?yàn)?0 MPa）。Niu等[10]發(fā)現(xiàn)高速銑削后2A97鋁鋰合金表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值不大，表面上兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力的幅值均小于100 MPa，同一測(cè)試方向上殘余應(yīng)力最大差值僅150 MPa左右。

Mou等[18]在干式、液氮冷卻兩種環(huán)境中加工2060–T8鋁鋰合金，研究了銑削前滾壓方向與銑削中進(jìn)給方向之間的夾角對(duì)銑削加工工件表面殘余應(yīng)力的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在干切工況下，當(dāng)滾壓角度為45°的方向時(shí)，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過于其他方向；在工件采用液氮低溫冷卻時(shí)，工件表面的殘余壓應(yīng)力較干切工況提升了150～200 MPa，說明鋁鋰合金在合理的液氮低溫冷卻條件下，選用較高的轉(zhuǎn)速、較大的切深以及較高的進(jìn)給可以使工件表面維持相對(duì)較大的殘余壓應(yīng)力。Zhang等[39]在Mou等[18]試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過對(duì)比兩種加工環(huán)境中的切削力與切削溫度，發(fā)現(xiàn)切削參數(shù)一定時(shí)，兩種加工環(huán)境中切削力的差別很小，而切削溫度存在明顯區(qū)別，因此，將不同環(huán)境下工件表面殘余應(yīng)力的差異歸因于切削溫度。

也有學(xué)者對(duì)7070鋁合金的切削殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。Wu等[40]對(duì)7075鋁合金進(jìn)行切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度的增加，殘余應(yīng)力減小，當(dāng)切削速度從500 m/min提高到1250 m/min時(shí)，切削殘余應(yīng)力降低約60 MPa，隨著表面粗糙度的增加，最大殘余拉應(yīng)力會(huì)有一定程度的增加。機(jī)械加工引入的表面殘余壓應(yīng)力有利于改善零部件的耐腐蝕性能，而殘余拉應(yīng)力則削弱該性能。Luo等[22]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，切削速度與每齒進(jìn)給量對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響較大，隨著切削速度和進(jìn)給量的增加，表面殘余應(yīng)力的大小和殘余應(yīng)力層深度都增大。Zhang等[23]卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度在250～1250 m/min之間波動(dòng)時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力與切削速度負(fù)相關(guān)，并觀察到最大殘余壓應(yīng)力層深度為120 μm，最大亞表層殘余拉應(yīng)力層深度為300 μm，并且最大表面殘余拉應(yīng)力在15 MPa左右波動(dòng)。Niu等[36]發(fā)現(xiàn)由于存在試樣表面殘余應(yīng)力小，同時(shí)電解液與試樣表面不存在壁面剪應(yīng)力等因素，導(dǎo)致2A97鋁鋰合金耐腐蝕性能基本不受加工表面殘余應(yīng)力的影響。

Niu等[10]采用極差分析研究了切削參數(shù)對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)平行方向的殘余應(yīng)力影響最顯著的是切削速度vc，其次為徑向切深ae，然后是每齒進(jìn)給量fz，最后是軸向切深ap；對(duì)垂直方向的殘余應(yīng)力影響最顯著的是軸向切深ap，其次為切削速度vc，然后是每齒進(jìn)給量fz，最后是徑向切深ae。

4.3 表面層加工硬化

切削過程中的加工硬化會(huì)使得工件表層變硬，從而導(dǎo)致刀具磨損加劇，進(jìn)而引起加工質(zhì)量差與服役時(shí)間減少等問題。

雷忠潭[20]在進(jìn)行2195鋁鋰合金銑削試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)2195鋁鋰合金在不同每齒進(jìn)給量及不同切削速度下的加工硬化程度范圍在107% ～123%之間，如圖4所示。當(dāng)切削速度由20.096 m/min增加到35.168 m/min時(shí)，加工表層硬度呈遞減趨勢(shì)，其主要原因是銑削速度較小時(shí)，工件的塑性變形隨著切削速度的增加而減小，導(dǎo)致加工硬化程度降低。當(dāng)切削速度增加到30.168～65.312 m/min時(shí)，工件加工表面硬度呈上升趨勢(shì)，不同進(jìn)給量下的表面硬度在切削速度最大時(shí)達(dá)到極值。其主要原因在于銑削速度的增加，縮短了金屬導(dǎo)熱的時(shí)間，減小了材料的熱軟化，使得工件表面的硬化程度增加。每齒進(jìn)給量的增加會(huì)導(dǎo)致工件所受銑削力增加，表層金屬的塑性變形加劇，從而導(dǎo)致加工后硬化程度增加。Mou等[18]的試驗(yàn)結(jié)果同樣表明，所有加工表面的硬化程度均在109%～119%范圍，切削加工引入的表面變形層深度約為20 μm，且在該變形層內(nèi)切削加工對(duì)基體材料的硬化作用隨與加工表面距離變大而減弱。

圖4 不同每齒進(jìn)給量和切削速度下的表面硬度和表面硬化程度[20]Fig.4 Surface hardness and surface hardening degree under different feed per tooth and milling speed[20]

在7050鋁合金的表面加工硬化方面，F(xiàn)u等[41]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加工硬化能力在112%～123%之間波動(dòng)，當(dāng)切削速度vc從600 m/min增加到900 m/min時(shí)，加工硬化能力和表面硬度略有下降，但當(dāng)切削速度超過1000 m/min時(shí)，加工硬化能力和表面硬度明顯上升；高切削速度 （vc= 1200 m/min）下加工硬化層深度約為35 μm；低切削速度（vc= 600 m/min）下加工硬化層深度約為25 μm，因此認(rèn)為高速切削比低速切削產(chǎn)生更多的加工硬化和更深的硬化層。譚靚等[42]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi), 試樣表面硬度在179～193HV0.025之間，表面硬度基本不變。Zhang等[23]利用單因素法對(duì)7050–T7451進(jìn)行切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加工硬化層深度與切削速度、切削深度呈負(fù)相關(guān)，加工硬化程度隨切削速度與進(jìn)給量的增大呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，與切削深度呈負(fù)相關(guān)。

銑削加工中表層材料發(fā)生塑性變形造成加工硬化程度增大對(duì)2A97鋁鋰合金耐腐蝕性能存在不可忽視的作用。Niu等[38]對(duì)比了不同顯微硬度2A97鋁鋰合金銑削加工試樣，發(fā)現(xiàn)加工表面顯微硬度的增大有利于改善表面耐腐蝕性能。

4.4 表面微觀形貌

徐海進(jìn)等[43]通過高速銑削Al–Cu–Li系鋁鋰合金表面微觀形貌觀察試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)已加工表面會(huì)出現(xiàn)由周期進(jìn)給引起的切削波紋 （圖5（a））、小的坑洞 （圖5（b））、殘留切屑 （圖5（c）） 以及振動(dòng)引起的毛刺 （圖5（d）） 等，但已切削表面大部分為正常形貌 （圖5（e））。丁悅等[33]對(duì)2198鋁鋰合金進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)平直刀路和拐角刀路都極易出現(xiàn)表面缺陷，在刀紋交錯(cuò)處也出現(xiàn)了大量的表面缺陷 （圖6）。

圖5 鋁鋰合金表面形貌圖[43]Fig.5 Surface morphology of Al–Li alloy[43]

圖6 鋁鋰合金銑削表面形貌[33]Fig.6 Surface morphology of milling Al–Li alloy[33]

針對(duì)切削加工表面通常出現(xiàn)的微觀裂紋問題，徐海進(jìn)[30]通過掃描電鏡、電渦流法以及熒光滲透法3種方法檢測(cè)Al–Cu–Li系鋁鋰合金的加工表面裂紋，如圖7所示，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)表面裂紋的存在，因此認(rèn)為常規(guī)和高速銑削并不會(huì)導(dǎo)致鋁鋰合金表面裂紋的產(chǎn)生。

圖7 熒光滲透裂紋檢測(cè)結(jié)果[30]Fig.7 Results of crack detection by fluorescence penetration test[30]

4.5 已加工表面的金相組織

徐海進(jìn)[30]通過高速銑削鋁鋰合金已加工表面金相組織的觀察，發(fā)現(xiàn)其表層金相組織與基體相比變化不大。牟海闊[27]的研究也表明，當(dāng)銑削轉(zhuǎn)速在2500～5000 r/min范圍內(nèi)變化時(shí)，鋁鋰合金的晶粒大小沒有顯著的變化，晶粒沿刀具進(jìn)給方向沒有明顯的拉壓變形。牛金濤[44]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，近切削表面處微觀組織 （圖8（a））與基體微觀組織 （圖8（b））均為大尺寸晶粒，在平行進(jìn)給方向上晶粒尺寸甚至超過1 mm，而切削加工影響層的深度約為20 μm，遠(yuǎn)小于晶粒尺寸，這同樣表明，銑削加工對(duì)2A97鋁鋰合金加工表面的影響不足以細(xì)化原始微觀組織中的大尺寸晶粒。

圖8 近切削表面與基體微觀組織（ap = 1 mm，ae = 20 mm，vc = 1300 m/min，fz = 0.05 mm/z）[44]Fig.8 Near-cutting surface and matrix microstructure(ap = 1 mm, ae = 20 mm, vc = 1300 m/min, fz = 0.05 mm/z)[44]

5 刀具磨損

刀具磨損直接影響加工表面完整性，進(jìn)而影響被加工零件的使用性能。加工鋁鋰合金時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)黏附磨損從而導(dǎo)致加工表面質(zhì)量差等問題。

Niu等[10]選用無涂層硬質(zhì)合金刀具加工2A97鋁鋰合金，發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)太大磨損。李強(qiáng)強(qiáng)等[9]選用硬質(zhì)合金刀具、TiN涂層刀具和TiAlN涂層刀具分別進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)TiAlN涂層刀具銑削2198–T8鋁鋰合金時(shí)最容易發(fā)生黏結(jié)磨損，對(duì)比3種刀具的磨損情況 （圖9），發(fā)現(xiàn)TiN涂層刀具的磨損最小，加工效果最好；硬質(zhì)合金刀具有輕微黏附發(fā)生；TiAlN涂層刀具表面工件材料黏附嚴(yán)重，刀具磨損最大，加工效果最差。這是由于TiAlN涂層中含有鋁元素，在切削時(shí)會(huì)在刀屑界面上形成一層導(dǎo)熱性差的氧化鋁保護(hù)膜，導(dǎo)致切屑無法及時(shí)帶走切削熱，刀具局部溫度更高，更容易發(fā)生黏附磨損。

圖9 3種刀具材料磨損情況對(duì)比[9]Fig.9 Contrast of tool wear made of carbide[9]

6 參數(shù)優(yōu)化

開展切削加工參數(shù)優(yōu)化是鋁鋰合金切削加工研究的最終落腳點(diǎn)，是提高機(jī)床的利用率、實(shí)現(xiàn)高效加工和降低成本的主要手段。

呂巖[19]基于最小二乘支持向量機(jī)建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，利用最優(yōu)化原理，建立了以材料去除率最大為優(yōu)化目標(biāo)的高速銑削鋁鋰合金切削參數(shù)優(yōu)化模型，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化求解并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。雷忠潭[20]以表面粗糙度與材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到的最佳切削參數(shù)降低了表面粗糙度，提高了加工效率。Yue等[45]基于響應(yīng)曲面法以表面粗糙度與比切削能為優(yōu)化目標(biāo)，建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法確定銑削參數(shù)的最優(yōu)組合。從現(xiàn)有研究來看，在切削加工參數(shù)優(yōu)化時(shí)多以材料去除率、表面粗糙度等作為優(yōu)化目標(biāo)，通過采用粒子群優(yōu)化算法、最小二乘支持向量機(jī)法等進(jìn)行單目標(biāo)或多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，并且目前針對(duì)鋁鋰合金的切削參數(shù)優(yōu)化研究較少。

7 不足及發(fā)展方向

7.1 研究的不足

（1）關(guān)于鋁鋰合金切屑形成的文獻(xiàn)較少，并且缺少關(guān)于鋁鋰合金與鋁合金切屑的對(duì)比分析。

（2）在切削力方面，雖然進(jìn)行了大量研究并取得了一定成果，但試驗(yàn)結(jié)論并不一致，其中關(guān)于切削力的研究大多是集中在靜態(tài)切削力方面，對(duì)于周期性動(dòng)態(tài)切削力的研究鮮有報(bào)道。

（3）在切削溫度方面，僅僅提出了切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響，卻沒有研究其影響程度。盡管使用輻射法對(duì)切削溫度進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，能夠較好的獲得切削溫度，但卻只能得到工件及切屑的表面溫度，而不能得到整個(gè)切削區(qū)域的溫度分布，更無法獲得對(duì)刀具磨損具有決定作用的刀具–切屑接觸界面溫度。

（4）在表面質(zhì)量方面，現(xiàn)有研究大多數(shù)局限于單一指標(biāo)的變化而缺少全面分析，并且對(duì)表面殘余應(yīng)力、表面層加工硬化以及表面層微觀組織變化的研究不夠深入，而這些恰恰是工件服役性能的重要影響因素。

（5）在刀具磨損方面，由于鋁鋰合金質(zhì)地較軟，刀具磨損較少，對(duì)于該方面的研究也較少，并且有關(guān)鋁鋰合金切削試驗(yàn)的研究大多使用硬質(zhì)合金刀，在一定程度上制約了鋁鋰合金的應(yīng)用。

（6）在參數(shù)優(yōu)化方面，沒有考慮加工成本、加工時(shí)間和機(jī)床的振動(dòng)等因素，并且多目標(biāo)函數(shù)權(quán)重確定方面的研究也不夠深入。

7.2 未來的發(fā)展方向

針對(duì)以上問題，應(yīng)從以下方面開展進(jìn)一步的研究。

（1）繼續(xù)深入鋁鋰合金切屑形成的研究，開展鋁鋰合金切屑與鋁合金切屑的對(duì)比研究，探究鋁鋰合金對(duì)鋁合金的替代性。

（2）進(jìn)一步開展動(dòng)態(tài)切削力研究，揭示動(dòng)態(tài)切削力隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，為切削參數(shù)的優(yōu)選奠定基礎(chǔ)。

（3）開展基于非接觸式測(cè)溫法的切削溫度研究，揭示切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響程度，進(jìn)一步探索切削溫度隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，同時(shí)結(jié)合有限元仿真建立切削溫度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)切削區(qū)域溫度分布的較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

（4）深入開展已加工表面質(zhì)量的系統(tǒng)研究，尤其是表面殘余應(yīng)力、表面層加工硬化以及表面層微觀組織變化的研究，從提高產(chǎn)品服役性能的角度進(jìn)行工藝優(yōu)化。

（5）在刀具磨損方面，一方面深入研究不同刀具材料的服役性能，選擇合適的刀具；另一方面需要建立刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式，從而更好地指導(dǎo)切削加工工藝的合理制定。

（6）在參數(shù)優(yōu)化方面，可以采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、深度學(xué)習(xí)和響應(yīng)曲面等智能優(yōu)化技術(shù)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并采用更有效的決策方法對(duì)優(yōu)化解集進(jìn)行決策。

8 結(jié)論

鋁鋰合金由于其優(yōu)越的性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，是近年來發(fā)展速度最快的先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)材料之一。但由于其質(zhì)地較軟，在切削過程中容易出現(xiàn)黏附磨損、表面質(zhì)量差等問題，給鋁鋰合金零部件的加工制造帶來困難。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了鋁鋰合金切削加工的試驗(yàn)研究，也取得了較好的成果，但也存在部分結(jié)論不一致，缺乏定量分析，預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性有待提升以及缺乏與鋁合金的對(duì)比研究等問題。在今后應(yīng)重點(diǎn)開展切屑變形、切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量的系統(tǒng)研究，揭示動(dòng)態(tài)切削力、切削溫度隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，加強(qiáng)表面殘余應(yīng)力、表面層加工硬化以及表面微觀組織變化問題的研究，從而提高產(chǎn)品的服役性能。鋁合金材料銑削的超高速加工范圍為1500～5000 m/min，在進(jìn)行鋁鋰合金銑削試驗(yàn)時(shí)，可適當(dāng)開展更高切削速度條件下切削試驗(yàn)的研究。同時(shí)，增加鋁鋰合金與鋁合金的對(duì)比試驗(yàn)，深入研究鋁鋰合金對(duì)鋁合金的替代性。并考慮采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、遺傳算法和響應(yīng)曲面等優(yōu)化技術(shù)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得更準(zhǔn)確、有效的優(yōu)化結(jié)果。