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 550003；2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 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)動機(jī)齒輪、儀表配件等航空零部件。在7075鋁合金切削過程研究中發(fā)現(xiàn)，加工表面質(zhì)量對其服役能力有重要影響。GUPTA等[1]通過嘗試多種切削條件，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7075鋁合金進(jìn)行正交切削實驗，借助檢測儀器設(shè)備表征了加工表面形貌和鱗刺，分析了切削條件對加工表面鱗刺分布的影響。SEDIGHI等[3]分析了拉削參數(shù)對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]]研究了車削工藝參數(shù)對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]研究了車削參數(shù)對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)檢測結(jié)果對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。MALI等[8]重點分析了7075鋁合金銑削過程中的材料去除機(jī)制，并揭示了切削條件對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。而實際切削過程中，3者之間有著不可忽略的影響，對7075航空鋁合金的切削加工過程調(diào)控有著重要支撐。

基于此，本文通過設(shè)計合理試驗方案開展切削試驗與檢測分析，重點研究了切削用量對工件材料(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 試驗設(shè)計

切削試驗采用硬質(zhì)合金無涂層車刀切削直徑為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

該試驗在C-6136HK數(shù)控車床上進(jìn)行，通過設(shè)計配套的刀桿、刀架和定位底座，將Kistler測力系統(tǒng)進(jìn)行組裝[9]，搭建起合理切削試驗平臺如圖1a和圖1b所示，根據(jù)試驗方案把工件預(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) 切削試驗平臺 (b) 切削力測量系統(tǒng)

(c) 工件預(yù)處理方案1 (d) 工件預(yù)處理方案2

結(jié)合研究對象特點、切削條件及試驗方案可行性，設(shè)計合理試驗方案，如表3所示。

表3 切削試驗方案

在該切削試驗過程中，每組試驗制取相應(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，獲取每組試驗加工表面粗糙度值和輪廓形貌，每組試驗樣品檢測3個區(qū)域，從中選取相對最有效的1組數(shù)據(jù)作為該組試驗加工表面粗糙度值[10]。完成粗糙度測量后，再進(jìn)行顯微硬度檢測，每組試驗通過線切割進(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

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測試3點，硬度測試采用維氏顯微硬度計HMV-G，取算術(shù)平均值為該組試驗的切削表面硬度值。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 切削表面顯微硬度

為說明切削過程不同切削條件對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試，經(jīng)過一定數(shù)據(jù)處理，獲得如圖3所示的切削用量對加工表面顯微硬度的影響情況。

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

(c) 切深對加工表面顯微硬度的影響 (d) 切削用量對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，這是因為材料越硬，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表面質(zhì)量會產(chǎn)生顯著影響，而影響顯著程度需要深入測試分析，因而需要在硬度檢測完畢之后，對相同樣品進(jìn)行表面粗糙度輪廓檢測，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) 切削速度對加工表面粗糙度的影響 (b) 進(jìn)給速度對加工表面粗糙度的影響

(c) 切深對加工表面粗糙度的影響 (d) 切削用量對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，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個切削用量對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中，最大粗糙度差為3.31 μm。3組試驗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鋁合金干切削過程加工表面硬度與表面粗糙度之間的關(guān)系，對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?。环粗?，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)生波動越大的輪廓溝壑，表面粗糙度越大。根據(jù)式(1)，可由易測得的加工表面粗糙度，計算出表面顯微硬度，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

通過搭建切削試驗平臺對7075_T651航空鋁合金在干車削過程切削用量對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鋁合金在干車削過程的加工表面顯微硬度與粗糙度的關(guān)系模型。通過以上分析研究，得出如下結(jié)論：

(1)對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，表面硬度隨之減小；切深對加工表面顯微硬度的影響規(guī)律性較弱。

(2)對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?。环粗?，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。