王海濤,楊發(fā)展,劉慶峰,張玉騰
(青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東青島 266033)
在高速列車的生產(chǎn)設(shè)計(jì)與制造中,廣泛使用鋁合金材料,可大大減輕高速列車的重量,實(shí)現(xiàn)高速化、輕量化的運(yùn)行。然而,鋁合金在高速/超高速加工中會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱,造成切削溫度過高以及伴有明顯的熱軟化現(xiàn)象等一系列問題,導(dǎo)致加工后的碎屑粘附在刀具表面,嚴(yán)重影響了鋁合金的加工效率。為了提高加工效率,充分利用鋁合金材料的加工流變特征,必須對(duì)鋁合金加工過程進(jìn)行充分優(yōu)化,前提是對(duì)不同溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率下的流變行為進(jìn)行分析和研究,優(yōu)化加工工藝參數(shù),從而達(dá)到降低切削力、減少刀具消耗、降低能源浪費(fèi),進(jìn)而達(dá)到降低加工成本的目的。本文就鋁合金高速加工中流變行為問題進(jìn)行分析和研究,通過對(duì)加工溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響,建立了流變應(yīng)力本構(gòu)方程,為進(jìn)一步優(yōu)化鋁合金成形工藝提供理論和實(shí)踐依據(jù)[1]。
在加工過程中,流變應(yīng)力是鋁合金高速加工過程中塑性變形的重要指標(biāo),是變形過程中金屬內(nèi)部顯微組織演變和性能變化的綜合反映。目前,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)鋁合金加工過程的流變行為進(jìn)行了大量研究,其中尤其對(duì)高溫壓縮鋁合金流變行為進(jìn)行了大量研究并取得了較多的研究成果。中南大學(xué)林高用、張輝等人[2]對(duì)7075鋁合金采用高溫壓縮試驗(yàn),對(duì)高溫壓縮變形中的流變應(yīng)力進(jìn)行了研究。楊積慧等人[3]對(duì)7050鋁合金高溫流變行為進(jìn)行了研究,并分析了高溫壓縮過程中流變應(yīng)力與溫度、應(yīng)變、應(yīng)變速率之間的關(guān)系。黃光杰、程虎等人[4]對(duì)3104鋁合金進(jìn)行了熱軋模擬實(shí)驗(yàn),分析了合金變形時(shí)變形抗力、流變應(yīng)力與應(yīng)變速率、變形溫度之間的關(guān)系。T.Sheppard,A.Jackson[5]等人對(duì)鋁合金擠壓過程中的流動(dòng)應(yīng)力本構(gòu)方程進(jìn)行了預(yù)測(cè)。SEMIATIN.S.L,F(xiàn)REY.N,WALKER.N.D,JONAS.J.J等人[6]對(duì) 6061 鋁合金進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn),研究了熱變形和應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響。目前,盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁合金高溫壓縮流變應(yīng)力進(jìn)行了大量研究,獲得了鋁合金的流變應(yīng)力特征,但實(shí)驗(yàn)速率較低,對(duì)不同溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率下的失效方式缺乏分析,目前的研究結(jié)論還不適于鋁合金高速銑削加工過程分析。
鋁合金熱變形過程中的高溫流變應(yīng)力σ值與合金的變形程度ε、應(yīng)變速率˙ε、變形溫度T、合金的化學(xué)成分C以及變形體內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)S有密切的關(guān)系[7]。在實(shí)際加工過程中,合金的化學(xué)成分無(wú)法改變,因此,變形條件直接決定了顯微組織,因此在研究加工流變應(yīng)力時(shí),合金化學(xué)成分和顯微組織結(jié)構(gòu)這兩方面的影響可忽略,這三者之間的確切關(guān)系表達(dá)式可表示為:
因此,影響流變應(yīng)力的直接因素主要體現(xiàn)在變形溫度、變形程度和應(yīng)變速率。其次,流變應(yīng)力的變化與顯微組織的變化密切,顯微組織改變,流變應(yīng)力也隨之改變。相互關(guān)系如圖1所示。
圖1 流變應(yīng)力的因素及相互關(guān)系
在鋁合金的熱變形過程中,在不同的溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率下,鋁合金的流變應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)三種不同形式[8-9]:如圖2所示,圖2(a)為加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)圖,圖2(b)發(fā)生連續(xù)和不連續(xù)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。加工硬化與動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不僅同時(shí)進(jìn)行,而且還不斷的相互抵消,使鋁合金處于一種高塑性、低變形抗力的軟化狀態(tài)。
高溫塑性變形的顯著特點(diǎn)是加工過程中組織發(fā)生了硬化和軟化兩種變化。加工硬化主要是鋁合金在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時(shí),隨著變形程度的增加,其力學(xué)性能也跟著增加,金屬的硬度和強(qiáng)度增加。而軟化主要是由于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶原因引起。前者主要通過位錯(cuò)的攀移和交滑移實(shí)現(xiàn)。而研究的鋁合金材料是層錯(cuò)能較高的金屬,攀移和交滑移容易進(jìn)行,熱變形過程中動(dòng)態(tài)回復(fù)是其軟化的主要方式,尤其是在高速銑削過程中尤其明顯,主要是由于高速銑削過程中切削速度較高,加工過程中摩擦速率較快、變形程度較大,發(fā)熱量較高,動(dòng)態(tài)回復(fù)現(xiàn)象較為突出,軟化效果較為明顯。如圖2(a)所示,在加工變形的初始階段,鋁合金的熱變形主要是以加工硬化為主,應(yīng)力值因加工硬化而提高,隨著應(yīng)變的不斷增加,當(dāng)增大到εs時(shí),流變應(yīng)力值達(dá)到最大,此時(shí),加工硬化率逐漸降低,隨著變形的繼續(xù)增加,鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈現(xiàn)為直線變化,主要原因是加工硬化所引起的硬化效應(yīng)與動(dòng)態(tài)回復(fù)所引起的軟化效應(yīng)相互抵消,達(dá)到了穩(wěn)定的變形狀態(tài),此時(shí)由應(yīng)變引起的應(yīng)力變化值趨近于恒定值。圖2(b)為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖,從圖中可以看出,隨著應(yīng)變速率的增大,流變應(yīng)力值迅速增大至峰值σs,當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增加時(shí),流變應(yīng)力值趨于穩(wěn)定,這種結(jié)果主要是由于加工過程中材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的。由于應(yīng)變速率快,變形溫度就會(huì)急劇上升。當(dāng)材料在較高的變形溫度下,材料達(dá)到一定的臨界變形量時(shí)就會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程。此時(shí),材料加工硬化和加工軟化作用不斷交互,而當(dāng)材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí),位錯(cuò)密度就會(huì)下降,導(dǎo)致材料出現(xiàn)軟化,而加工硬化現(xiàn)象在加工過程中一直存在。在高速加工過程中,鋁合金切屑內(nèi)部微觀組織圖像,如圖3所示。
圖3 流變內(nèi)部組織紋理線圖
從圖3(a)中可看出,鋁合金在高速加工的初始階段,位錯(cuò)開始不斷進(jìn)行遷移和交滑移,大量的位錯(cuò)不斷運(yùn)動(dòng)到晶體表面致使產(chǎn)生了宏觀塑性變形,此時(shí)主要發(fā)生了加工硬化現(xiàn)象。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定加工階段時(shí),如圖3(b),可看出,位錯(cuò)之間相互纏結(jié)以及位錯(cuò)密度降低,晶粒拉長(zhǎng)和破碎,這主要是由于在高應(yīng)變速率下材料發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的。
熱加工過程中或者在高速加工情況下加工溫度達(dá)到一定量值的前提下,鋁合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程的一般求法:材料在任何應(yīng)變或穩(wěn)態(tài)下流變應(yīng)力σ、應(yīng)變速率˙ε、和溫度T之間存在特定的關(guān)系(考慮到組織內(nèi)部發(fā)生位錯(cuò)、回復(fù)等情況對(duì)流變應(yīng)力的影響),選用 Sellars-Tegart模型中的 Arrhenius關(guān)系來描述[10-11]:
低應(yīng)力水平(σα<0.8)˙ε=A1σn1(2)
高應(yīng)力水平(σα>1.2)˙ε=A2exp(βσ)(3)
對(duì)于所有應(yīng)力值:
式中:Q為熱變形激活能;R為氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度;A1、A2、n1、α、β 均為與變形溫度無(wú)關(guān)的常數(shù),其中α=β/n1。
對(duì)式(2)~(4)兩邊取對(duì)數(shù)得式(5)~(7):
根據(jù)測(cè)得的在不同變形溫度和不同應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力值,分別代入式(5)、(6)、(7)中,用origin軟件繪制In˙ε-lnσ、In˙ε-lnβ以及In˙ε-ln[sinh(σα)]關(guān)系圖,然后用一元線性回歸的方法,根據(jù)前兩式的斜率求出n1和β的值。根據(jù)n1和β的值,依據(jù)α=β/n1公式來確定α的值和范圍,并對(duì)α值進(jìn)行優(yōu)化處理。優(yōu)化處理的原則是:在不同變形溫度和應(yīng)變速率時(shí),In˙ε-ln[sinh(σα)]為一組平行直線,此時(shí)的值為優(yōu)化值,將α值帶入式(7),來求得變形激活能和其它參數(shù)。在熱加工變形過程中,由于溫度范圍大,流變應(yīng)力值變化較大,所以常用式(7)來描述熱加工過程中,流變應(yīng)力與溫度和應(yīng)變速率之間的本構(gòu)關(guān)系。
Zener-Hollomon參數(shù)描述了應(yīng)變速率、變形溫度的關(guān)系,即Z參數(shù),它的表達(dá)形式表示如下:
將流變應(yīng)力表達(dá)成Z參數(shù)的函數(shù)為:
對(duì)式(5)兩邊取對(duì)數(shù)并偏微分得:
將R值和ln[sin h(σα)]和1/T的斜率以及l(fā)n˙ε和ln[sin h(σα)]的斜率值代入式(10)中,就可以求得熱變形激活能Q值,繼而求得其他材料參數(shù)A、n和α值,把所有參數(shù)的值代入表達(dá)式(9)中,即可求的流變應(yīng)力的數(shù)值。
目前研究熱變形流變應(yīng)力的方法,大多是借用一些實(shí)驗(yàn)方法,比如單軸拉伸法、扭轉(zhuǎn)法和壓縮法[12-13],通過上述方法對(duì)熱變形過程中溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響進(jìn)行研究。從而得到在不同變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,從曲線的變化情況對(duì)鋁合金流變應(yīng)力各階段特征進(jìn)行分析。
溫度是影響鋁合金加工過程中流變應(yīng)力的重要因素。在實(shí)際加工過程中,變形溫度并不穩(wěn)定。在鋁合金加工過程中,大多數(shù)學(xué)者采用了Gleeble1500熱模擬機(jī)對(duì)鋁合金進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn)以獲得在不同變形溫度、應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力。陳學(xué)海、陳康華等人[14]對(duì)7085鋁合金進(jìn)行了熱壓縮實(shí)驗(yàn),獲得了在變形溫度350~470℃、應(yīng)變速率為0.001-10 s-1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖4所示。
圖4 7085鋁合金在不同溫度和應(yīng)變速率下熱壓縮變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖
從圖4中可看出:在變形的初始階段,隨著應(yīng)變的增加,流變應(yīng)力值迅速升高并達(dá)到峰值,其后,隨著應(yīng)變的增加,流變應(yīng)力值趨于穩(wěn)定,達(dá)到穩(wěn)態(tài)流變階段,這是因?yàn)殇X合金的內(nèi)部組織發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的原因。在應(yīng)變速率和變形量一定的情況下,流變應(yīng)力值隨著變形溫度的升高而降低。從內(nèi)部組織來看,在變形溫度低時(shí),位錯(cuò)活動(dòng)能力低,不利于進(jìn)行攀移和交滑移,此時(shí)的加工硬化速度就高于再結(jié)晶的軟化速度。隨著變形溫度的升高,各晶體在熱變形過程中交滑移能力變強(qiáng),更有利于變形的進(jìn)行。就為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提供了便利條件,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與加工硬化進(jìn)行抵消,流變應(yīng)力值就會(huì)減小,因此在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上,表現(xiàn)出溫度升高,流變應(yīng)力值就會(huì)減小。
從圖4還可看出,在變形溫度和變形量一定的情況下,隨著應(yīng)變速率的升高,流變應(yīng)力值逐漸增大。應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響可以從微觀上來分析位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和剪應(yīng)力的關(guān)系。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度和剪應(yīng)力的關(guān)系可以表示為[15]:
式中:V0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度;V為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度;A為激活能;τ為剪應(yīng)力;T為變形溫度。
從內(nèi)部組織(如圖5)來分析,當(dāng)應(yīng)變速度增大時(shí),位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的提高。從式(11)可以看出,當(dāng)應(yīng)變速度增加時(shí),剪應(yīng)力增大,而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的時(shí)間就會(huì)很短,加工硬化現(xiàn)象占據(jù)主要地位,導(dǎo)致流變應(yīng)力值增大,熱效應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的增加,然而在高溫下,熱效應(yīng)對(duì)流變應(yīng)力的影響微乎其微??傮w來說,隨著應(yīng)變速率的提高,流變應(yīng)力呈上升增大趨勢(shì),這表明鋁合金材料是正應(yīng)變速率敏感材料。通過做高速銑削實(shí)驗(yàn),獲得了在兩種不同的銑削速度下的鋁合金切屑微觀組織結(jié)構(gòu),如圖5所示。
圖5 兩種銑削速度下加工材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)
從圖5(a)中可看出,在低應(yīng)變速率下,鋁合金組織的內(nèi)部晶粒發(fā)生變形扭曲,但這種變形扭曲現(xiàn)象并不嚴(yán)重。但在高應(yīng)變速率下,如圖5(b)所示,晶粒發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形并形成局部剪切局部現(xiàn)象,此時(shí)的流變應(yīng)力值變大。
為了研究高速銑削加工變形條件對(duì)流變應(yīng)力的影響,在MV-80立式加工中心進(jìn)行了高速銑削中空結(jié)構(gòu)鋁合金實(shí)驗(yàn)。MV-80立式加工中心有很高的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度,能夠穩(wěn)定地進(jìn)行鋁合金高速銑削,如圖6。測(cè)力采用Kistler 9257B動(dòng)態(tài)壓電測(cè)力儀,測(cè)力儀輸出的電荷信號(hào)由信號(hào)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行處理,信號(hào)采集處理系統(tǒng)由電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成。采用非接觸式紅外線熱像儀研究銑削過程中的溫度變化(Thermovision A20M)。
在高速銑削加工過程中,影響流變應(yīng)力的主要加工參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和徑向切深。切削加工參數(shù)如表1所列。
圖6 鋁合金高速銑削加工中心
表1 加工參數(shù)
在保持進(jìn)給量和徑向切深不變的情況下,對(duì)主軸轉(zhuǎn)速分別為對(duì)主軸轉(zhuǎn)速分別為2 500 r/min、5 000 r/min、7 500 r/min和10 000 r/min條件下材料的受力情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,所測(cè)得的銑削力如圖7所示,所測(cè)得的銑削溫度如圖8所示。
圖7 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)三向銑削力的影響
圖8 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響
根據(jù)測(cè)得的銑削力F以及進(jìn)給量f和徑向切深ae來求得切削應(yīng)力σ,如式(12):
其次,根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量來求得應(yīng)變速率,它們之間的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖9所示。
圖9 不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
從圖9中可以看出,隨著應(yīng)變速率的增加,銑削應(yīng)力不斷增加至峰值,然而隨著主軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時(shí),應(yīng)變速率也會(huì)隨之增加,當(dāng)銑削速度達(dá)到很高時(shí),三向切削力值開始降低,銑削應(yīng)力值開始降低。
在切深和轉(zhuǎn)速不變的情況下,對(duì)每齒進(jìn)給量分別為0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm 和 0.2 mm 時(shí)對(duì)銑削過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,其余參數(shù)同表1,其銑削力如圖11,銑削溫度如圖12。
從圖10和11中可看出,隨著進(jìn)給量的不斷增加,銑削力和銑削溫度不斷增加。這是因?yàn)檫M(jìn)給量增加,切削層變厚,切削做功增多,因此切削力和溫度就會(huì)增大。根據(jù)所得的切削力值和溫度值繪出在同一應(yīng)變速率下的、不同溫度下的應(yīng)力曲線如圖12所示。
圖10 進(jìn)給量對(duì)銑削力的影響
圖11 進(jìn)給量對(duì)銑削溫度的影響
圖12 溫度對(duì)流變應(yīng)力的影響
從圖12可以看出,隨著進(jìn)給量的增大,銑削溫度的升高,銑削應(yīng)力值不斷降低,主要原因就不再詳述。切深的改變對(duì)銑削應(yīng)力的影響原理是隨著切深的增加,銑削溫度升高,應(yīng)力也會(huì)隨之降低。
(1)從高溫壓縮7085鋁合金實(shí)驗(yàn)中,了解到該合金的應(yīng)力應(yīng)變行為,溫度是影響鋁合金高溫壓縮流變應(yīng)力的主要因素。當(dāng)在同一應(yīng)變速率下、同一應(yīng)變程度下,變形溫度越高,所對(duì)應(yīng)的流變應(yīng)力值越小。
(2)在高溫壓縮實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)變速率對(duì)鋁合金的流變應(yīng)力曲線影響明顯,在同一變形溫度和變形程度下,鋁合金的流變應(yīng)力值隨應(yīng)變速率的增大而增大。在高速加工過程時(shí),當(dāng)應(yīng)變速率和變形量不變時(shí),流變應(yīng)力值隨著溫度的升高而降低。
(3)對(duì)中空結(jié)構(gòu)鋁合金做高速銑削實(shí)驗(yàn),通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)觀察中空結(jié)構(gòu)鋁合金在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的切屑內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在高溫低應(yīng)變速率下該合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。
(4)在不同加工參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度)下進(jìn)行高速銑削實(shí)驗(yàn),得出了流變應(yīng)力與加工參數(shù)之間的變化關(guān)系。在進(jìn)給量和切削深度相同時(shí),隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷升高,流變應(yīng)力值先增大至峰值繼而降低,然后穩(wěn)定不變。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速相同時(shí),流變應(yīng)力值隨著進(jìn)給量和切削深度的增大而降低。
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