尹 浩，鄭 雷

(1.青島理工大學 汽車與交通學院，山東 青島 266520；2.鹽城工學院 機械工程學院，江蘇 鹽城 224051)

7075鋁合金切削過程晶粒尺寸和硬度變化的研究*

尹 浩1，鄭 雷2

(1.青島理工大學 汽車與交通學院，山東 青島 266520；2.鹽城工學院 機械工程學院，江蘇 鹽城 224051)

已加工零件的表面特征會嚴重影響到零件的后期使用性能,為了提高零件的加工質量和后期的使用性能，有必要對零件已加工表面材料的晶粒尺寸和硬度的變化進行研究。在零件的切削加工過程中，零件表面材料的晶粒尺寸會不斷變化，因此已加工零件的表面材料的性質與原先毛胚材料的性質會發(fā)生較大的變化，當在對切削過程進行仿真時，相應的變化需要得到考慮。文章在對 7075鋁合金的切削仿真過程中考慮了其微結構的變化，通過子程序對微結構的變化特征進行了定義，對其微結構變化的動態(tài)過程進行了仿真。在切削參數變化時，通過Zener-Hollomon和Hall-Petch方程對晶粒尺寸和硬度進行相應的描述。通過對相應的晶粒尺寸和硬度的仿真結果和實驗結果的對比，驗證了該模型的有效性。

7075鋁合金；微結構；有限元；硬度；本構模型

0 引言

隨著21世紀制造業(yè)的不斷發(fā)展，在機械加工領域中，已加工零件的加工質量將成為市場上眾多產品的競爭因素，已加工零件的表面質量就是其中的一個重要的因素[1-2]。目前，主要考慮的零件的表面質量主要包括粗糙度，微結構以及表面殘余應力等[3-5]，這些性質的變化會嚴重影響到工程零件后期的諸多使用性能，如抗裂紋性，抗腐蝕性以及抗疲勞壽命等。在很多工程領域，特別是航空領域，其對最終已加工零件的加工質量有更高的要求從而保證零件在服役的過程中有更高的安全性。在實際工程中，為了保證零件的質量，通過對已加工零件添加相應的后處理工序，但是相應的過程往往會提高制造過程的成本，從而降低其市場競爭力。在該情況下，對于能引起零件材料微結構變化的因素的掌握以及能夠正確預測零件的最終加工質量，及時調整相應的加工方案并進行反饋，對于提高加工質量并降低加工成本就顯得至關重要。對于已加工面的微結構的變化的研究，目前前人已經取得了一定的研究，國外的有Ghosh對于AISI 304L 不銹鋼的切削過程中表面材料的微結構變化進行了相應的研究[6]，Barbacki運用仿真和實際實驗研究了硬質合金鋼在切削過程中的微結構的變化[7]，國內有王保衛(wèi)[8]運用有限元工具并結合實驗對718鎳基合金在不同切削條件表面材料的微結構的變化進行了較為系統(tǒng)的研究。

目前國內外對于航空領域常用的7075鋁合金在切削過程中的微結構變化的研究較少， 由于7075鋁合金其密度較低，且有較高的強度，在航空領域運用較為廣泛。金屬材料的動態(tài)再結晶過程可以分為連續(xù)性動態(tài)再結晶過程和非連續(xù)性動態(tài)再結晶過程。在非連續(xù)性動態(tài)再結晶過程主要由于成核以及晶粒生長現象形成，其所形成的組織往往較為粗糙。對于連續(xù)性的動態(tài)再結晶過程，其主要在較為規(guī)則的晶粒內由于位錯的積累而產生。對于鋁合金的動態(tài)再結晶，其主要是連續(xù)性動態(tài)再結晶過程，其在局部位錯能量達到臨界值時產生[9-11]。

本文的主要工作主要是通過仿真研究切削速度和刀具的幾何參數在切削過程中對于7075鋁合金晶粒尺寸變化的影響，并且提出了一個相應的有限元模型對切削過程中的不同的微結構的變化進行相應的分析和預測。在相應的分析過程中，通過不斷的迭代尋找最優(yōu)的Zener-Hollomon方程的參數，最終可以對材料的硬度和微結構進行模擬，最終通過實驗的驗證，證實了本文仿真結果的可靠性。

1 實驗過程

首先對相應的切削過程進行相應的實際實驗，相應的結果可以作為仿真過程對相應的參數進行調整的依據，在此基礎上可以使得相應的仿真結果更加可靠。

實驗裝置如圖1所示。由于刀具的切削刃半徑對于切削過程有很大的影響，因此對每個刀具的切削刃半徑通過機器視覺的測量方式進行了相應的測量，最終測得切削刃半徑的平均值為16μm。并對切削過程的切削力進行測量。在實驗過程中，切削深度始終保持在0.5mm，每轉進給量為0.1mm/rev，變化量為切削速度和刀尖圓弧半徑。

圖1 實驗過程裝置

每組實驗過程中，對相應的切削力進行測量，最終得到的切削力的變化如圖2所示。每組實驗之后，對相應的微結構和硬度進行相應的測量。

(a) 切削速度對于切削力的影響

(b) 刀尖圓弧半徑對于切削力的影響圖2 切削速度和刀尖圓弧半徑對于切削力的影響

可以看出，切削力會受到切削速度和刀尖圓弧半徑的影響，不過主切削力受切削速度和刀尖圓弧半徑的影響不大；但切削速度增大時，切削區(qū)域的溫度會有升高的趨勢，同時由于材料的熱軟化效應，使得進給方向的切削力會有減小的趨勢，進給方向的切削力受刀尖圓弧半徑的影響較大，隨著刀尖圓弧半徑的減小，進給方向的切削力有增大的趨勢，這是由于當刀尖圓弧半徑的減小時在進給方向刀具與未切削材料的接觸的圓弧長度增大所導致。同樣，徑向的切削力也會受到刀尖圓弧半徑的影響，只不過其變化趨勢與進給方向的切削力相反，其隨著刀尖圓弧半徑的增大而增大，這是由于當刀尖圓弧半徑增大時，在徑向刀具與未切削材料的接觸的圓弧長度增大所導致。

對于以加工表面和次表面的微硬度的變化也通過Vickers HV0.05壓頭進行了相應的測量，對壓頭的相應的載荷保載時間分別為0.5N以及10s。相應的結果如圖3所示?？梢钥闯觯c毛胚材料的硬度相比，在不同切削速度和刀尖圓弧半徑的切削過程中，零件已加工表面材料均會有硬化的現象。相對于次表面而言，切削速度對于最外表面材料的硬度的影響較小，其對以加工表面的次表層材料的硬度的影響較大，隨著切削速度的提高，其產生的微結構變化層的深度也會相應的增大。

同樣，刀尖圓弧半徑對于已加工零件的最表層和次表層的硬度也會產生相應的影響，隨著刀尖圓弧半徑的增大，其產生的微結構變化層的深度也會相應的增大。

(a) 切削速度對于硬度的影響

(b) 刀尖圓弧半徑對于硬度的影響圖3 不同切削條件下測得的材料硬度的變化

對每個加工零件表面的金相進行相應的分析，最終發(fā)現所有的試樣表面都發(fā)生了再結晶現象，即所有的試樣的表面的晶粒都變得更小，如第5組實驗得到的圖4所示的結果。所有測量得到的晶粒的尺寸如表1所示。

(a) 未加工面 (b) 已加工面圖4 毛胚和已加工零件表面的金相

實驗編號V(m/min)R(mm)晶粒尺寸(μm)11800．812．3523200．412．3033200．810．0543201．27．7557200．84．02

可以看出，隨著切削速度和刀尖圓弧半徑的增大，晶粒尺寸均有細化的現象，盡管當Zener-Hollomon方程中有較大的參數時，切削速度的影響要大于刀尖圓弧半徑的影響。

2 仿真過程

隨著計算機科學與技術的不斷發(fā)展，使得數字仿真技術在機械制造領域的運用越來越廣泛，其可以避免諸多不必要的實驗過程，從而降低相應的研究成本。本文基于Deform-3D軟件對相應的切削過程進行相應的仿真。本文選取第3組的實驗條件進行相應的仿真，并將仿真得到的結果與實驗得到的結果進行相應的比較，從而對模型中所用的摩擦系數進行相應的校準。在仿真中，將摩擦劃分為了兩種區(qū)域，分別為滑動區(qū)域和粘結區(qū)域。在滑動區(qū)域，摩擦與接觸面的正應力成正比，其可以用庫倫定律來表達(τ=μσ)在粘結區(qū)，摩擦為一個常數，其值主要取決于剪切模型(τ=mτ0)。最終的迭代結果為m=0.853，μ=0.425。相應的迭代過程基于模型中的刀具跟切屑以及刀具和工件之間的熱傳遞系數hint為55000kW/m2完成，具體的迭代過程在文獻[12-13]中有詳細的描述。在熱力耦合的仿真過程中，通過子程序的調用來對工件材料的動態(tài)再結晶過程和硬度的變化進行相應的計算。

在本文的仿真過程中，運用Zener-Hollomon方程對動態(tài)再結晶過程進行相應的計算，運用Hall-Petch方程對硬度的變化進行相應的計算，其中Zener-Hollomon的表達式為：

(1)

Z=A[sin(hασ)]n

(2)

其中，α和n為方程中的兩個常數，其值分別為0.012mm2/N和5.3[14]。

再結晶后的晶粒的尺寸與Zener-Hollomon方程的參數相關，相應的關系可以表達為：

d=d0·b·Zm

(3)

其中，d0為晶粒的初始尺寸，b和m分別為與材料相關的兩個常數。硬度與再結晶晶粒尺寸的關系可以表達為[15]：

HV=C0+C1·d-0.5

(4)

能夠激活動態(tài)再結晶過程的參數為臨界應變εcr，其相應的值可以通過Quan在文獻[16]中所提到的計算方法。最終相應的計算結果為0.06，該值與Rokini在文獻[10]中的相同的鋁合金材料所得結果一致。對εcr的值進行評估之后并與有限元計算得到的值進行相應的比較，若有限元計算得到的應變值達到臨界應變εcr值，則將發(fā)生相應的再結晶過程，再結晶后的晶粒尺寸的變化通過Zener-Hollomon方程進行計算，而硬度的變化則通過Hall-Petch方程進行計算，相應的計算流程如圖5所示。在有限元的計算過程中相應的值的變化會得到不斷的更新。若通過有限元計算得到的應變值為達到臨界應變值，則不會發(fā)生相應的再結晶過程，相應的晶粒尺寸和硬度的變化也會保持不變。需要強調的是，運用式(3)計算的動態(tài)再結晶模型是基于在已加工表面上并沒有相應的晶粒生長的假設的基礎上進行的。

圖5 計算晶粒尺寸和微結構硬度的子程序流程圖

為了驗證該假設，對已加工表面的不同區(qū)域的晶粒進行相應的測量，如圖6所示。

從圖6中可以看出，在加工面的不同區(qū)域所監(jiān)測到的晶粒的尺寸并沒有太大的變化，進一步證實在切削加工過程中材料的微結構發(fā)生變化后晶粒并未進一步的生長。

(a) 已加工零件表面的不同的測量點

(b) 不同測量點所測得的硬度值圖6 不同區(qū)域測得的硬度的變化

上述的用戶子程序用于校準Zener-Hollomon方程中的兩個常數。對單個因素進行相應的分析可以詳細地了解單個因素對于晶粒尺寸以及硬度變化的影響。如圖7所示的程序可以對方程中的參數進行相應的校準，最終使得相應的仿真結果更加精確。相應的校準程序首先從一個初始值開始，本文所用的初始值采用Cerri等人在文獻[17]中給出的值，其Zener-Hollomon方程的參數作為本文迭代的初始值進行迭代校準。根據方程的表達式可以看出，參數b對于晶粒尺寸的影響要小于參數m的影響。對于Hall-Petch方程，其同樣需要兩個初始值進行迭代，分別為C0和C1，其根據材料的初始晶粒尺寸和硬度得到。

圖7 對晶粒尺寸和微結構硬度值校準的程序流程圖

在校準過程中，所用的切削條件和切削參數采用第三組實驗所用的切削條件和切削參數。圖7為對材料的晶粒尺寸和硬度進行校準的程序。數值計算得到的加工面的晶粒尺寸的變化范圍為在7.44～13.21之間，相應的平均值為9.81，該值與實驗監(jiān)測得到的晶粒尺寸9.5μm較為吻合。通過數值仿真得到的加工面材料硬度的值與實驗得到的結果同樣具有很好的吻合性，仿真得到的硬度的范圍為在189～219HV之間，相應的平均值為199.5，其與實驗得到的硬度值201HV即為相近，證實仿真得到的結果是可信的。

同樣，加工面材料的硬化層的厚度也作為考察對象以驗證文中的臨界應變εcr的正確性，仿真結果如圖8所示。可以很清楚地看出，這里仿真所得到的硬化層的深度與圖6實驗得到的結果較為接近。最終通過校準得到的b和m的值分別為54305和-0.245。

圖8 晶粒尺寸和硬度值的仿真結果

3 實驗驗證

校準完畢后，通過實驗結果對有限元仿真的結果進行相應的驗證。運用如圖5所示的子程序對不同切削條件下的晶粒尺寸和硬度的變化進行相應的數值計算。如圖9a所示的晶粒尺寸的比較和圖9b所示的硬度的比較，可以看出對于每組切削條件，仿真結果和實驗結果都比較吻合。

(a)晶粒尺寸的仿真結果和實驗結果的比較

(b)硬度的仿真結果和實驗結果的比較圖9 實驗結果和仿真結果的對比

可以看出的是，隨著切削速度和刀尖圓弧半徑的增大，晶粒都有細化的現象，相應的變化趨勢可以解釋為，隨著切削速度和刀尖圓弧半徑的增大，切削區(qū)域的材料有更大的應變率和更高的溫度，這會使得Zener-Hollomon方程中有更大的參數值，該結果與Tsuji在文獻[18]中的結果較為一致。不過仿真所得到的零件表面硬化層的硬度與實驗所得到的結果，在變化趨勢上有一定的差別，相應的結果需要歸結于，當運用Hall-Petch方程對硬化層的硬度進行計算的過程中，并未對晶粒尺寸變化后的流動應力模型進行相應的修正，如果在仿真過程中能夠考慮到晶粒尺寸對于流動應力的影響，該差別會得到避免。

盡管存在上述較小的差異，但是，總而言之，通過子程序校準后的有限元模型，其對切削層的晶粒尺寸和硬度的計算結果是較為可靠的。

4 結論

本文以7075鋁合金為研究對象，運用有限元工具計算了在其切削加工過程中表面硬化層材料的晶粒尺寸和硬度的變化。運用Zener-Hollomon方程對再結晶后的晶粒的尺寸進行計算，通過Hall-Petch方程對硬化層的材料的硬度進行計算，最終可以發(fā)現仿真所得到的結果與實驗得到的結果較為吻合。根據本文的實驗結果發(fā)現，切削速度和刀尖圓弧半徑對已加工零件表面完整性均有一定的影響，該影響可以從表面材料的動態(tài)再結晶和更大的硬化層材料的硬度這兩個方面進行考慮。

在本文的工作的基礎上，下一步的工作將考慮分析液氮冷卻條件下加工面硬化層材料晶粒尺寸和硬度的變化的影響，最終進一步提高零件的加工質量和使用壽命。

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ResearchontheChangesoftheGrainSizeandHardnessonMachinedSurfaceLayerof7075AluminiumAlloy

YIN Hao1,ZHENG Lei2

(1.School of Automotive and Transportation, Qingdao University of Technology, Qingdao Shandong 266520, China;2.School of Mechanical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu 224051, China)

The properties of the machined surface will significantly affect the performance of the machined workpiece. In order to improve the properties and the use life of the machined workpiece, it is necessary to do the researches on the changes of the microstructures and hardness on the machined workpiece. The grain size in the surface material layer will be changing during the machining process, so the properties of the machined surface material will be different from the bulk material., and the macrostructure change should be considered during the simulations of the machining process. This paper presents some work in the simulations of the process of machining 7075 aluminum alloy, during which the microstructure change was considered. Zener-Hollomon and Hall-Petch equations were used to describe the grain size and hardness during the cutting process. According to the comparison of the simulation results and experimental results, the simulation model was validated as reliable.

7075 aluminium alloy; microstructure; finite element; hardness; constitutive model

1001-2265(2017)11-0107-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.028

2017-06-27；

2017-07-31

國家自然科學基金資助項目(51575470)；江蘇省“六大人才高峰”高層次人才資助項目(JXQC-029)；江蘇高?！扒嗨{工程”資助項目(蘇教師﹝2016﹞15號)；徐州工程學院江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設實驗室開放課題資助項目(JSKLEDC201407)

尹浩(1977—)，男，山東青島人，青島理工大學講師，工學博士，研究方向為機械動力學、先進制造工藝及裝備，(E-mail)yhyinh@163.com;通訊作者：鄭雷(1976—)，男，山東莒南人，鹽城工學院副教授，工學博士，研究方向為結構優(yōu)化設計、先進加工工藝及裝備，(E-mail)alei611@163.com。

TH128;TG113

A

(編輯李秀敏)