劉文輝 楊迅雷 儲(chǔ)愛(ài)民 陳宇強(qiáng)

（1 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）

（2 高溫耐磨材料及制備技術(shù)湖南省國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201）

0 引言

7055鋁合金屬 Al－Zn－Mg－Cu系列，具有超高強(qiáng)度、低密度的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［1－2］。由于航空航天零件大都具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄等特點(diǎn)，在加工過(guò)程中材料去除量大，精度要求高，常采用高速銑削加工［3］。銑削加工是一個(gè)復(fù)雜的熱－力耦合過(guò)程［4］，切削力與銑削溫度的變化會(huì)對(duì)表面加工質(zhì)量、硬化層深度、殘余應(yīng)力［5］等造成影響，從而影響到材料的耐腐蝕性能［6］。 1998 年 FORSYTH［7］報(bào)道了機(jī)加工后鋁合金在海水中發(fā)生表面層腐蝕的結(jié)果；HUANG和ISAACS［8］觀察到磨削 AA7075－T6合金表面發(fā)生條紋腐蝕，認(rèn)為是由腐蝕敏感性較高的表面層引起的；RAMGOPAL和FRANKEL［9］研究了晶間析出相和PFZ對(duì)AA7150鋁合金晶間腐蝕行為的影響；張入仁等［10］研究了7050鋁合金銑削表面的耐腐蝕性，用腐蝕損傷深度和損傷度表征了腐蝕損傷程度，發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化切削參數(shù)可以提高零件耐腐蝕性；王珊珊［11］研究了表面磨削對(duì)7xxx系鋁合金局部腐蝕行為的影響；HUANG等［12］研究了高溫預(yù)析出對(duì)7系鋁合金局部腐蝕的影響。目前關(guān)于7055－T6態(tài)鋁合金銑削參數(shù)對(duì)耐蝕性影響的研究還鮮有報(bào)道，本文通過(guò)高速銑削實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)方法，探索切削速度和軸向切深對(duì)材料表面粗糙度和耐腐蝕性的影響，得到合理的切削參數(shù)，為生產(chǎn)加工提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

7055鋁合金軋制態(tài)板材，進(jìn)行450℃／60 min固溶處理，T6時(shí)效處理制度為120℃／12 h。實(shí)驗(yàn)在四川長(zhǎng)征集團(tuán)生產(chǎn)的KVC800／1型高速銑床上進(jìn)行，所用刀具為CoroMill290硬質(zhì)合金，刀具前角為12°，圓角半徑為15 μm，刀盤直徑為100 mm。切削力測(cè)試系統(tǒng)由Kistler測(cè)力儀、力電荷放大器、A／D數(shù)據(jù)采集卡及臺(tái)式計(jì)算機(jī)等裝置組成。采用日本電子珠式會(huì)社生產(chǎn)的SEM－6510掃描電鏡觀察加工表面的形貌，電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)在上海華辰CHI760e型電化學(xué)工作站上進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要研究銑削加工表面物理特征對(duì)耐腐蝕性的影響，切削實(shí)驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)，方案見(jiàn)表1。

表1 切削速度單因素試驗(yàn)方案Tab.1 Milling speed single factor experiment scheme

以切削速度為單因素的試驗(yàn)完成后，在NanoMap－500LS雙模式三維表面輪廓儀上掃描已加工表面輪廓，獲得表面粗糙度的數(shù)值，選擇表面粗糙度最優(yōu)的切削轉(zhuǎn)速再進(jìn)行軸向切深分別為 0.25、0.5、0.75、1.0、1.25和1.5 mm的六組切削試驗(yàn)，銑削過(guò)程中測(cè)量切削力。用線切割切下15 mm×15 mm×5 mm的已加工表面試樣，在SEM掃描電鏡下觀察已加工表面形貌。

1.3 電化學(xué)測(cè)量

用電化學(xué)工作站測(cè)試銑削加工表面在3.5%NaCl溶液中腐蝕初期的電化學(xué)腐蝕行為。試樣用松香與石蠟按質(zhì)量比1∶1密封，留出1 cm2作為工作電極，電極用銅線引出。采用三電極體系進(jìn)行測(cè)量，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極。測(cè)定電位為－1.5～1.5 V，動(dòng)電位掃描速率為 1 mV／s，測(cè)定暴露面積為1 cm2的極化曲線，所得曲線與數(shù)據(jù)用電化學(xué)工作站所附帶軟件處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力測(cè)量與分析

采用最大切削力法來(lái)處理切削力的數(shù)據(jù)，在銑削工程中，影響最大的為軸向切削力Fz（主切削力），將測(cè)得的主切削力經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，分別繪出切削速度與切削力、軸向切深與切削力的曲線關(guān)系圖。

由圖1可知，隨著切削速度的提高，切削力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)切削速度達(dá)到1 099 m／min時(shí)切削力最大，隨后切削力降低，隨著切削速度的進(jìn)一步增大，切削力又逐漸增大。7055－T6鋁合金硬度較高，在切削加工過(guò)程中受到應(yīng)變和應(yīng)變率的強(qiáng)化作用與材料熱軟化作用的相互制約，在較低的切削速度下，應(yīng)變和應(yīng)變率的強(qiáng)化作用相對(duì)較弱，切削力的增大幅度不及高速時(shí)的增大幅度。當(dāng)切削轉(zhuǎn)速到達(dá)臨界1 099 m／min時(shí)，應(yīng)變和應(yīng)變率的強(qiáng)化作用以及剪切角的增大對(duì)切削力的影響與切削溫度對(duì)材料的熱軟化影響基本平衡，切削力達(dá)到最大值。隨著切削速度的進(jìn)一步增加，切削熱對(duì)材料的熱軟化作用占主導(dǎo)地位，切削力隨切削速度的增大而減小。隨著切削速度的進(jìn)一步提高，切削力又逐漸呈現(xiàn)微幅上升的趨勢(shì)，主要原因是硬質(zhì)合金刀具在高應(yīng)變和高應(yīng)變率的沖擊作用下磨損加?。?3］。圖2為切削速度為1 256 m／min、進(jìn)給量為0.1 mm／r時(shí)，切削力與軸向切深的關(guān)系圖。

圖1 不同切削速度下的主切削力Fig.1 Main cutting forces at different cutting speeds

圖2 不同軸向切深下的主切削力Fig.2 Main cutting forces under different cutting depths

由圖可知，隨著軸向切深的增大，切削力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。隨著軸向切深的增大，單位時(shí)間內(nèi)切除材料的體積增大，需要消耗更多的功來(lái)去除材料，切削力也隨之增大。當(dāng)軸向切深為1.5 mm時(shí)切削力最大可達(dá)269 N，而切削速度變化時(shí)的最大切削力為158 N，軸向切深對(duì)切削力的影響強(qiáng)于切削速度對(duì)切削力的影響。

2.2 表面粗糙度與形貌分析

圖3為不同切削速度下的表面粗糙度變化圖，由圖可知表面粗糙度的變化規(guī)律與切削力隨切削速度的變化規(guī)律相同。隨著切削速度的增加，表面粗糙度呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律。

表面粗糙度為 0.31～0.63 μm，隨著切削速度的增加，機(jī)床系統(tǒng)的振動(dòng)加劇，應(yīng)變和應(yīng)變率的強(qiáng)化作用也加強(qiáng)，使得切削力增加，表面粗糙度增大。隨著速度的進(jìn)一步增大，由切削溫度引起的材料的熱軟化作用增大，切削力減小，粗糙度也隨之減小。當(dāng)切削速度增大到1 413 m／min時(shí)，刀具受到工件的沖擊導(dǎo)致磨損加劇，表面粗糙度的值又開(kāi)始增大。圖4為1 099與1 570 m／min下的切削表面掃描電鏡圖。

圖3 不同切削速度下的表面粗糙度Fig.3 Surface roughness at different cutting speeds

圖4 不同切削速度下的切削表面形貌SEM圖Fig.4 Cutting surface topography at different cutting speeds

由圖4（a）可知，在1 099 m／min的切削速度下，刀具的振動(dòng)可能與機(jī)床系統(tǒng)的固有頻率接近，表面輪廓刀痕明顯且刀痕形貌不規(guī)則。在已加工表面還觀察到小的凸起，這些凸起受到后刀面的擠壓后，在凸起與加工表面相連的根部存在應(yīng)力集中，產(chǎn)生了一些細(xì)微的裂紋，數(shù)量不多且尺寸較小。由圖4（b）可知，在此切削速度下，應(yīng)變與應(yīng)變率很高，切屑鋸齒化加劇，加工表面會(huì)有一些細(xì)小的切屑及刀具磨損物粘連在已加工表面上，造成表面粗糙度值增大。

由圖5可知，表面粗糙度隨著軸向切深的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)軸向切深較低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)去除材料的體積小，消耗的能耗低，產(chǎn)生的切削力和切削熱都比較低。當(dāng)軸向切深增大時(shí)，切削力明顯增大，產(chǎn)生的切削熱也明顯增多，刀具對(duì)已加工表面擠壓作用加強(qiáng)，刀具振動(dòng)更加劇烈，導(dǎo)致表面粗糙度增大。圖6為軸向切深為1.0、1.5 mm時(shí)的切削表面形貌。

圖5 不同軸向切深下的表面粗糙度Fig.5 Surface roughness under different cutting depth

圖6 不同軸向切深下的切削表面SEM圖Fig.6 Cutting surface topography under different cutting depths

由圖6（a）可知，已加工表面有較大面積的材料壓覆與粘連，主要是因?yàn)樵谠撦S向切深下切削溫度較高，引起材料的熱軟化程度加劇，在后刀面的擠壓作用下出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象。圖6（b）中可知在粘連的切屑及切屑附近的已加工表面上都有微裂紋存在，由金屬切削原理可知，在切削第一變形區(qū)存在大應(yīng)變的塑性變形，這種塑性變形是位錯(cuò)在外力作用下不斷聚集和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，由于刀尖鈍圓半徑的存在，使得刀尖處大量位錯(cuò)沿不同方向發(fā)射，在刀尖處產(chǎn)生加工硬化的高壓區(qū)域。后刀面對(duì)已加工表面擠壓摩擦產(chǎn)生加工硬化層，使得表面材料韌性降低。軸向切深為1.5 mm時(shí)切削力最大，對(duì)已加工表面的擠壓最大。刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀尖處的這部分加工硬化區(qū)被刀尖鈍圓推行前進(jìn)，牽動(dòng)被后刀面擠壓處的硬化面，當(dāng)達(dá)到表面層材料的屈服極限時(shí)，表面層會(huì)產(chǎn)生斷裂形成裂紋。

2.3 電化學(xué)測(cè)試分析

圖7為不同切削轉(zhuǎn)速下的極化曲線圖。由圖可知，隨著切削轉(zhuǎn)速的增大，電流密度呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律，轉(zhuǎn)速為4 000 r／min時(shí)的電流密度最低。表2為不同切削轉(zhuǎn)速下極化曲線得到的電化學(xué)腐蝕參數(shù)。自腐蝕電位可以作為材料耐腐蝕性的一個(gè)重要評(píng)判指標(biāo)。7055－T6鋁合金表面的自腐蝕電位是－864 mV，由表2可知，已加工表面的自腐蝕電位均向正極移動(dòng)，經(jīng)過(guò)切削加工以后材料的耐腐蝕性得到了一定程度的提高。銑削加工是一個(gè)復(fù)雜的熱－力耦合過(guò)程，在銑削加工過(guò)程中不僅受到后刀面對(duì)材料的擠壓作用，還受到切削溫度對(duì)已加工表面的影響，使得已加工表面的微觀組織不均勻，表層為亞晶層，中間層為高密度位錯(cuò)層，下層為基體層，表層中η和η’相被運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)剪切，破碎并最終溶解，θ（Al2Cu）相在表面層內(nèi)的亞晶界以及表層附近的基體內(nèi)的亞晶界上析出。Cu元素的自腐蝕電位相對(duì)高于Al、Mg元素，耐腐蝕性能得到提高。

圖7 不同切削轉(zhuǎn)速下的極化曲線Fig.7 Polarization curve at different cutting speeds

表2 不同切削速度下極化曲線得到的電化學(xué)腐蝕參數(shù)Tab.2 Parameters of electrochemical corrosion obtained from polarization curve under different cutting speed get

由表2還可知，隨著切削轉(zhuǎn)速的增加，自腐蝕電位和極化電阻均呈現(xiàn)先減小后增大再減小的規(guī)律，這是因?yàn)殡S著切削速度的增大，表面粗糙度先增大，表面不平整使得電荷容易發(fā)生轉(zhuǎn)移，極化電阻值減小，隨后表面粗糙度值減小，加工表面變的平整，電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移緩慢，極化電阻增大，隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，加工表面粗糙度值又增大，極化電阻值隨之減小。電流密度在 0.31～1.58 μA／cm2之間變化，4 000 r／min 時(shí)電流密度最小為 0.31 μA／cm2，極化電阻為 24.29 kΩ·cm2，該切削參數(shù)對(duì)材料的耐腐蝕性能最有利。7055－T6鋁合金腐蝕性能與加工表面的完整性有密切的關(guān)系，表面粗糙度小，沒(méi)有切屑粘連的表面氧化層分布均勻，在 3.5%NaCl溶液環(huán)境下，Cl－離子與表面均勻接觸腐蝕［14］，因此在 4 000 r／min 時(shí)的電流密度最低，而表面粗糙度越大的表面，由于表面有凹坑和凸起，會(huì)使表面氧化膜的分布厚薄不均勻，同時(shí)形成的凹坑中聚集的Cl－離子濃度越大，腐蝕速率越快，加速表面膜的腐蝕［15］，電流密度也逐漸增大。

圖8為不同軸向切深下的極化曲線，可以看出，隨著軸向切深的增加，陽(yáng)極極化電流密度逐漸增大，自腐蝕電位向負(fù)電位方向移動(dòng)，材料的耐腐蝕性能逐漸降低。表3為不同軸向切深下的極化曲線得到的電化學(xué)腐蝕參數(shù)。

圖8 不同軸向切深下的極化曲線Fig.8 Polarization curve under different cutting depth

表3 不同軸向切深下的極化曲線得到的電化學(xué)腐蝕參數(shù)Tab.3 Polarization curve under different cutting depth of electrochemical corrosion parameters

從表3可知，在切削轉(zhuǎn)速為4 000 r／min，軸向切深為0.25 mm時(shí)，自腐蝕電位為－798 mV，電流密度為 0.24 μA／cm2，加工表面的耐腐蝕性能最優(yōu)，這與加工表面的表面加工質(zhì)量密切相關(guān)，在該切削參數(shù)下加工表面粗糙度數(shù)值最小。從切削力的變化范圍可知隨著軸向切深的增大，切削力逐漸增大，最大值可達(dá)269 N，而隨著切削速度的增大，切削力雖然有增大的趨勢(shì)，但是最大值為158 N，在軸向切深為1.5 mm時(shí)，加工表面有許多微裂紋存在，當(dāng)電位達(dá)到擊穿電位約－0.80 V時(shí)，電流密度迅速增大合金表面氧化膜被擊破，其對(duì)合金的保護(hù)失效，電流密度急劇增大［16］，腐蝕加劇。 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3.5%的 NaCl溶液中，鋁合金腐蝕過(guò)程的主要電極反應(yīng)為［17］：

在NaCl溶液中Cl－對(duì)鋁合金的腐蝕敏感性也有一定的影響，Cl－易在鋁合金表面的氧化膜不完整處或者微觀組織不均勻的地方發(fā)生吸附并不斷聚集，造成氧化膜的減薄和破裂，導(dǎo)致裸露的基體直接與腐蝕性溶液接觸而反生反應(yīng)［18］，反應(yīng)如下：

在較大的軸向切深下，由于表面缺陷面積較大，微觀組織上的不均勻性使得Cl－優(yōu)先在有缺陷的地方發(fā)生吸附，并且促使Cl－參與化學(xué)反應(yīng)，從而加速鋁合金基體的溶解以及裂紋的擴(kuò)展，材料的抗腐蝕能力下降。

3 結(jié)論

（1）隨著切削速度（主軸轉(zhuǎn)速）的增大，表面粗糙度和切削力呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化規(guī)律；隨著軸向切深的增大，切削力和表面粗糙度都呈現(xiàn)逐漸增大的變化規(guī)律。

（2）銑削加工后刀面對(duì)已加工表面的擠壓強(qiáng)化改善了7055－T6鋁合金的腐蝕性能。隨著軸向切深的增大，自腐蝕電位逐漸向負(fù)極移動(dòng)且電流密度呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)；切削轉(zhuǎn)速為4 000 r／min，軸向切深為0.25 mm時(shí)，加工表面耐腐蝕性能最優(yōu)。

（3）材料耐腐蝕性能與切削加工表面質(zhì)量有密切關(guān)系，微裂紋的存在會(huì)加速表面氧化膜的擊破，其對(duì)合金表面的保護(hù)失效，導(dǎo)致腐蝕加劇。

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