低溫切削7075鋁合金鱗刺形成規律及抑制措施

劉 梟 鄧文君 陳海濤 張保玉

華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州，510641

0 引言

鋁合金具有密度低、強度質量比大和耐疲勞性高等特點，常被用于制造飛機的結構件和汽車車身[1-2]。切削加工是鋁合金零件的重要制造工藝，增大切削用量有利于提高材料去除率，但會使切削力、切削溫度過高，在已加工表面形成鱗刺、劃痕、凹坑等表面缺陷，降低表面完整性，影響零件的相互配合和使用壽命[3]。

切削液的使用有助于潤滑、冷卻切削區域，改善刀具和工件材料之間的接觸摩擦特性，減少表面缺陷。但是，使用切削液輔助加工會占據大量生產成本并造成環境污染[4]。此外，在一些精密儀器的鋁合金零件制造過程中，切削液的使用會降低零件表面耐腐蝕性，影響產品精度。液氮(liquid nitrogen, LN2)、液態CO2等冷卻介質下的低溫切削因其具有優良的冷卻效果、生態友好性和較高的應用可行性而受到廣泛關注。許多學者針對難加工材料的低溫切削特性，如切削力[5-7]、刀具磨損[8-10]等進行了研究。除了材料的切削特性外，大量研究也集中于低溫加工制造的零件表面質量。SARTORI等[11]分析了LN2冷卻方式對已加工表面缺陷、表面粗糙度和形貌的影響，結果表明，液氮低溫切削可以得到較好的表面質量。BERTOLINI等[12]研究不同進給量下低溫切削Ti-6Al-4V的已加工表面形貌和粗糙度發現，常溫干切削下的工件表面缺陷是材料黏結、進給劃痕、裂紋和局部鱗刺，而低溫切削下的表面缺陷主要是溝槽、不規則的進給劃痕，結果表明，低溫切削能改善已加工表面質量，抑制鱗刺、裂紋等表面缺陷的形成。這一結論在BAGHERZADEH等[13]的研究中得到了證實。GRABNER等[14]分別在常溫和低溫(-180 ℃)下沖壓5×××系鋁合金，對形成的零件表面進行觀測，得出低溫下的零件表面只存在微小表面痕跡的結果。通過常溫、低溫拉伸試驗，他們提出低溫有助于減弱塑性材料的Portevin-Le Chatelier效應，使變形過程更加穩定，有利于鋁合金的切削加工。SHOKRANI等[15]的研究表明，液氮冷卻低溫端銑削Ti-6Al-4V得到的工件表面污點、加工痕跡更少，表現出較為光滑的形貌。ROTELLA[16]進行7075鋁合金-T6的干切削、濕切削和低溫切削試驗，得到了低溫加工能有效降低零件表面粗糙度的結論。YIN等[17]將液氮冷卻和大應變擠出切削結合，擠出切削制備超細晶7075鋁合金帶材，通過分析切屑形貌和微觀結構，提出低溫能抑制Al7075的動態回復，提升變形過程中的位錯累積能力。

7×××系鋁合金在干切削條件下容易在表面析出Al7CuFe和Al2CuMg等硬脆相，在受到刀具擠壓作用后，顆粒-基質結合處容易出現裂紋的擴展，從而使材料斷裂，降低已加工表面質量[18]。而液氮能降低切削溫度，有助于抑制二次相的析出，改善鋁合金零件加工表面質量。目前，低溫切削對表面完整性的研究大多集中在鈦合金、鎳基合金和鋁合金的表面缺陷和表面粗糙度，從量級上對表面缺陷和表面粗糙度進行分析，而對具體缺陷(如鱗刺)的形成機理尚未進行深入說明。

鱗刺是在已加工表面上的鱗片狀毛刺[19]。在較低及中等切削速度下，切削塑性材料易在表面形成鱗刺，使表面產生凹凸不平的形貌，增大表面粗糙度，降低零件的表面完整性。周澤華[20]通過金相顯微鏡觀測鱗刺晶粒，得出鱗刺并非積屑瘤的結論，并提出了鱗刺的形成可分為抹拭、導裂、層積和切頂四個階段。張東初等[21]研究了加工工藝對7075鋁合金緊固孔表面粗糙度的影響，結果表明鱗刺是影響加工表面質量的主要因素，其形成受到切削速度和進給量的影響。何耿煌等[22]研究了鈦合金車削過程中鱗刺的生成規律，采用彎矩法解析鱗刺折斷過程，得到了大切削深度和小進給量有助于抑制鱗刺形成的結論。

研究鋁合金切削過程中鱗刺形成有助于理解其形成機理，通過優化加工條件和采用液氮冷卻的方式抑制鱗刺形成，以獲得較為光整的零件表面，減少后續表面處理工序，提高生產效率和產品質量。本文主要研究了液氮冷卻和干切削下，7075鋁合金已加工表面鱗刺在不同切削參數下的分布和尺寸規律，進一步分析了切削參數和液氮冷卻對鱗刺形成的作用機理。

1 7075鋁合金切削試驗

1.1 試驗裝置

在普通車床(CA6140)上進行7075鋁合金液氮冷卻低溫切削和常溫干切削試驗，如圖1、圖2所示。低溫切削試驗前，調整好液氮罐和車床的位置，將工件預先放置于液氮環境中15 min以上，取出工件并迅速將其固定在車床三爪卡盤上，然后進行切削試驗。切削過程中用連接液氮罐的噴嘴從側面向切削刀具和工件的接觸區域持續噴射液氮，實現低溫冷卻。

圖1 低溫切削試驗流程

圖2 低溫切削現場試驗裝置

1.2 試驗材料

本次試驗所選取的工件是7075鋁合金-T6圓管，長度200 mm，圓管壁厚7 mm，外徑70 mm，化學成分見表1。為了得到具有過飽和固溶體狀態的7075鋁合金，在進行切削試驗前需要對工件進行固溶處理和時效處理。具體過程如下：首先將工件放入設置溫度為490 ℃的電阻爐內保溫6 h，然后取出工件迅速放置于水中冷卻至室溫。

表1 Al7075的化學成分(質量分數)

1.3 試驗參數

采用高速鋼刀具進行正交切削試驗，研究常溫(room temperature, RT)、低溫(cryogenic temperature, CT)環境下切削參數對7075鋁合金切削后工件表面鱗刺分布和尺寸的影響，并和切削液條件下的低速切削試驗結果進行對比，試驗切削工藝參數見表2。

表2 切削參數

2 試驗結果及分析

使用Quanta 200掃描電子顯微鏡(scanning election microscope，SEM)對工件已加工表面的鱗刺分布進行觀測，得到鱗刺的形貌如圖3所示，可以清楚地看到表面存在魚鱗狀的凸起層狀缺陷即鱗刺。

(a)已加工表面形貌 (b)A1B1表面輪廓 (c)鱗刺截面

通過RTEC Dual-Mode 3D光學輪廓儀沿切削速度方向A1B1掃描，得到已加工表面輪廓曲線如圖3b所示，其中L為單個周期鱗刺的長度，H為單個周期鱗刺的高度。分別進行5次不同位置的測量線掃描，最后取平均值，得到鱗刺的高度和長度。

在金屬切削過程中，鱗刺的形成需要一定的溫度和壓力條件[23]。通過研究影響切削溫度、切削力、切削變形的因素，分析鱗刺的形成。

2.1 不同切削速度下液氮低溫切削對鱗刺的影響

切削速度對切削溫度、切削力和切削變形的影響尤為顯著，取進給量為0.3 mm/r，刀具前角為10°，對不同切削速度下常溫和低溫切削已加工表面形貌進行研究。

由圖4可以看出，在常溫切削速度92 mm/s下，已加工表面存在分布間距小且不均勻的毛刺。而在相同切削速度下進行低溫切削，其表面鱗刺分布密度顯著減少，間距增大。很顯然，在液氮冷卻作用下工件表面的鱗刺分布密度減小，低溫切削對鱗刺形成起到了抑制作用。這是因為在液氮作用下，接觸面溫度大幅下降，低溫下材料內部積累了更多的位錯，起到了位錯強化的作用，從而增大了材料硬度，減弱了接觸面峰點之間的相互擠壓變形，使摩擦因數減小，切屑不易層積在前刀面上，因此無法滿足產生鱗刺的溫度和壓力條件，抑制了鱗刺的形成。此外，圖4c中鱗刺沿切削速度方向存在間斷區域，這是積屑瘤和切屑碎屑在已加工表面犁切引起的。隨著切削速度的增大，已加工表面鱗刺分布密度呈減小的趨勢，特別是在2053 mm/s時，表面幾乎無鱗刺分布。

(a)vc=92 mm/s,RT (b)vc=92 mm/s,CT

從圖5中可以看出，隨著切削速度的增大，常溫和低溫切削下的鱗刺高度和長度均呈減小的趨勢。這是因為切削速度增大，溫度上升，刀屑接觸面間的材料發生熱軟化，使接觸面摩擦阻力減小，切屑不易層積在前刀面上，切削過程平穩，抑制了鱗刺的形成。與常溫切削相比，低溫切削的鱗刺高度和長度分別減小了31.46%～88.87%、20.12%～93.85%。尤其在切削速度為92 mm/s時，低溫切削使鱗刺高度從65.2 μm減小至19.67 μm，長度從993 μm減小至432 μm。很顯然，在不同切削速度下，低溫切削均有利于抑制鱗刺的形成。

圖5 不同切削速度下鱗刺高度和長度的變化情況

由圖4、圖5可以得出，低溫切削可以顯著抑制鱗刺的生成，減小鱗刺的分布密度和尺寸。在低速切削時，低溫對鱗刺的抑制作用最為明顯?？傮w而言，使用液氮冷卻低溫切削，并采用較大的切削速度，有利于抑制鱗刺的形成，得到最為光整的工件表面。

2.2 不同進給量下液氮低溫切削對鱗刺的影響

保持切削速度為2053 mm/s、刀具前角為10°，研究不同進給量下常溫和低溫切削已加工表面鱗刺的分布和尺寸。

由圖6可知，在0.2，0.3 mm/r的進給量下，常溫、低溫切削得到的工件已加工表面幾乎沒有鱗刺分布，這是由于較高切削速度和小進給量的共同作用。而隨著進給量增至0.4 mm/r，常溫下的工件已加工表面局部開始出現鱗刺，見圖6e。當進給量達到0.5 mm/r時，圖6g所示的常溫切削已加工表面存在一個鱗刺分布較多的區域。這是因為隨著進給量的增大，切削厚度增大，使得刀-屑接觸長度增大，從而增大刀具前刀面和切屑的接觸面積，增大刀-屑之間的摩擦力，使得切屑更難從前刀面流出，進而層積在前刀面上，為鱗刺的形成提供了充分條件，在較高切削速度下產生局部小鱗刺。而液氮作為冷卻液使用的同時還可以作為潤滑劑，改善刀-屑接觸面的摩擦特性。在低溫切削條件下，即使在進給量達到0.5 mm/r時，工件表面仍較為平整、幾乎沒有大鱗刺?？梢?，低溫有助于在較大進給量切削下抑制鱗刺形成，得到較為光整的已加工表面零件。結合圖7可知，較小的進給量與低溫切削相結合能夠很大程度上抑制鱗刺的形成，但考慮到實際加工效率和成本，可選擇低溫切削，并使用較大的進給量，仍能夠得到較為光整的已加工表面。

(a)f=0.2 mm/r,RT (b)f=0.2 mm/r,CT

圖7 不同進給量下鱗刺高度和長度的變化情況

圖7表示不同進給量下鱗刺高度和長度的變化。隨著進給量的增大，鱗刺高度和長度均呈增大的趨勢，這和圖6中鱗刺的分布規律相符合。鱗刺高度和長度的最大值分別為22 μm、449 μm，遠小于低速切削時鱗刺的尺寸，這說明切削速度對鱗刺的形成起主要作用，進給量起次要作用。與常溫切削相比，低溫切削的鱗刺高度和長度分別減小了-28.1%～85.54%、-13.45%～80.48%。尤其在進給量為0.5 mm/r時，低溫切削使鱗刺高度從22 μm減小至3.18 μm，長度從449.6 μm減小至87.78 μm。低溫切削降低了切削區域溫度，刀具和切屑之間呈峰點接觸，不易發生冷焊，從而使切屑易從前刀面流出，減少前刀面層積金屬，抑制鱗刺形成。

2.3 不同刀具前角下液氮低溫切削對鱗刺的影響

保持切削速度為2053 mm/s，進給量為0.3 mm/r，研究不同前角下常溫和低溫切削已加工表面鱗刺的分布和尺寸。

從圖8中可得，常溫切削條件下前角為5°得到的工件表面存在較多的鱗刺，而隨著刀具前角的增大，表面鱗刺的分布密度逐漸減小。但在前角為15°時，表面存在一鱗刺分布較密的區域，如圖8e所示。這是由于刀具前角增大，楔角減小使得刀具散熱變差，切削溫度略微上升，促進了鱗刺的形成。在前角為20°時，工件表面幾乎沒有大尺度的鱗刺。這是因為刀具前角增大會使剪切角增大，切削變形、刀-屑接觸長度和摩擦減小，切屑和前刀面不易發生冷焊，從而抑制了鱗刺的形成。在圖8b所示的低溫、前角為5°切削條件下的工件表面存在局部小鱗刺，與常溫、前角為5°切削條件相比，鱗刺的形成被顯著抑制。其他前角下的低溫切削工件已加工表面均沒有明顯的鱗刺分布，這說明在不同前角下，低溫均有利于抑制鱗刺的形成。

(a)γ=5°,RT (b)γ=5°,CT

圖9表示不同刀具前角下鱗刺的高度和長度。常溫切削條件下，隨著前角的增大，鱗刺高度和長度總體上呈現減小的趨勢，這與圖8所示的鱗刺分布規律相符合。在前角為10°、15°時，鱗刺長度出現局部增大，這可能是由于刀具前角增大，楔角減小使得刀具散熱變差，切削溫度略微上升，促進了鱗刺的形成。而低溫切削條件下，鱗刺高度和長度尺寸極小，最大分別為0.886 μm、54 μm，且變化不明顯。這說明在切削速度為2053 mm/s、進給量為0.3 mm/r條件下，低溫切削得到的工件已加工表面幾乎沒有鱗刺形成?？傮w而言，使用不同前角刀具進行切削，低溫均有利于抑制鱗刺的形成，改善工件已加工表面質量。

圖9 不同前角下鱗刺高度和長度的變化情況

2.4 不同冷卻條件下鱗刺的分布及高度

為進一步分析液氮冷卻低溫條件對鱗刺形成的抑制作用，取切削速度為92 mm/s、進給量為0.3 mm/r、刀具前角為10°，不同冷卻條件作對比。

由圖10可知，與常規干切削條件相比，使用切削液后，已加工表面鱗刺分布密度顯著減小，但仍然存在較小區域的鱗刺分布，對鱗刺的抑制作用不如液氮低溫切削條件。這是因為在鋁合金切削過程中，液氮的冷卻效果比常規切削液更好。圖10d表明，與干切削條件相比，使用切削液切削，已加工表面鱗刺高度大幅度減小，從65.20 μm減小至29.31 μm，而液氮冷卻條件下得到的鱗刺高度最低。這說明，液氮作為一種冷卻介質，在抑制鱗刺形成方面，比切削液更好，低溫切削是一種可替代傳統切削液切削的綠色加工方式。

(a)干切削

3 討論

鱗刺是一個累積形成的過程，如圖11所示，鱗刺形成過程分為四個階段[20]：

(1)抹拭階段。如圖11a所示，切屑沿著前刀面流出，以剛生成的表面抹拭前刀面，將其峰值凸點抹平，增大冷焊面積。在這個階段，刀具與切屑之間的摩擦因數μ逐漸增大，導致摩擦力Ff相應增大，使切屑流出更加困難，流出速度vch逐漸減小。

(2)導裂階段。當摩擦力Ff增大至切屑無法流出即流出速度vch=0時，切屑在刀具前刀面產生滯留現象。此時，切屑會代替前刀面擠壓切削層，刀具只起支撐作用。由于摩擦角β增大，導致剪切角φ減小，材料變形程度減小，切屑難以沿著第一變形區繼續進行剪切滑移。所以，在這個過程中，滯留的切屑材料與已加工表面層材料會產生撕裂，方向見圖11層積階段的受力分析，切屑與已加工表面之間出現裂口，即導裂。

(3)層積階段。隨著切削的進行，材料在導裂階段的切屑下方不斷堆積，并擠壓切削層。這個過程中，導裂階段的撕裂程度不斷增大，使切屑與已加工表面之間的裂紋不斷向基體材料內延伸，增大了工作切削厚度hD和切削力Fc、Fp。

(4)切頂階段。當切削力增大到能夠使切屑克服前刀面摩擦力重新流出時，切削刃便沿著切削方向切出鱗刺的頂部，見圖11d，形成了一個鱗刺。

(a)抹拭階段 (b)導裂階段

由鱗刺形成過程可知，鱗刺形成的關鍵在于切屑在刀具前刀面滯留，層積在前刀面上。層積金屬是構成鱗刺的充分必要條件[24]。層積過程和刀具與切屑之間的摩擦條件有關，受刀具幾何特征、加工參數等因素影響，主要表現在刀具前角、切削速度、進給量和冷卻潤滑條件，其綜合作用確定摩擦特性。

為分析液氮低溫條件對鱗刺形成階段的影響，取切削速度為92 mm/s、進給量為0.3 mm/r、刀具前角為10°，常溫(RT)和低溫(CT)切削后已加工表面的鱗刺橫截面如圖12所示，其鱗刺形貌同圖11d所示的形狀，具有較好的一致性，一定程度上驗證了鱗刺形成模型的準確性。

(a)常溫干切削 (b)低溫切削

鱗刺的分布和尺寸結果表明切削速度是影響鱗刺形成的主要因素。切削速度關系到切削溫度和材料應變率，通過改變材料力學性能來影響切削過程。材料的熱軟化效應受切削溫度的影響，隨切削速度的增大而增大。圖4和圖5證實了鱗刺的形成受切削速度的影響，隨著切削速度的增大，鱗刺分布密度逐漸降低，且尺寸也發生相應變化，這和文獻[25]中的鱗刺高度和根部厚度隨切削速度變化的規律一致。采用小進給量和大的刀具前角也能達到相同的作用趨勢，但作用程度遠比不上切削速度，這一點從圖7和圖9中的鱗刺尺寸變化趨勢可以看出。很顯然，在保持切削速度不變的情況下，改變進給量和前角導致的鱗刺尺寸變化遠小于改變切削速度導致的鱗刺尺寸變化。文獻[26]也提出切削速度是影響鱗刺形成的主要因素。在鱗刺形成過程中，較高的切削速度使材料發生熱軟化，接觸面摩擦阻力減小，切屑不易層積在前刀面上，鱗刺的形成無法經過完整的導裂階段，最終抑制了鱗刺成形。

在液氮冷卻條件下，切削區溫度極大程度降低，減弱了材料的熱軟化作用，同時液氮可作為潤滑劑減小刀-屑接觸面的摩擦，兩者共同作用使得鱗刺的形成無法經過完整的導裂階段，抑制了鱗刺成形，即使在低、中速下已加工表面鱗刺仍較小。如圖12所示，低溫下的裂紋擴展長度遠小于常溫，這說明低溫有助于抑制鱗刺形成導裂階段中裂口的擴展。

進給量關系到切削過程的工作切削厚度，切屑厚度因此會隨著進給量的增大而增大。位于刀具前刀面上的切屑可簡化看作懸臂梁，切屑厚度的增大會使切屑剛度增大，更難以發生遠離前刀面的彎曲，這一觀點和文獻[27]的結論一致。所以刀具和切屑的實際接觸長度增大，其接觸面積也隨之增大，導致刀-屑接觸面摩擦力增大，使得切屑難以從前刀面流出，層積在前刀面上，為鱗刺形成的導裂階段提供了前置條件。

刀具前角通過改變切削過程中的剪切角來影響鱗刺形成，即由材料塑性變形引起溫升和切削力變化。刀具前角越大，剪切角越大，材料塑性變形和刀-屑接觸長度越小，同時液氮更容易滲透進切削區域，切削區域的溫度和壓力較小，無法滿足發生冷焊的條件，切屑能夠順利從前刀面流出，不會形成層積金屬，所以鱗刺形成受到抑制，這和圖8和圖9中的鱗刺分布和尺寸變化規律相符合。

綜上所述，切削速度、進給量、刀具前角和液氮冷卻都是通過改變刀-屑接觸區摩擦特性，進而改變前刀面上切屑的層積程度，影響鱗刺形成的導裂過程；層積金屬是鱗刺形成的充分必要條件。

4 結論

本文采用不同切削參數對7075鋁合金進行了常溫、低溫切削試驗，分析了切削速度、進給量和刀具前角與鱗刺分布和尺寸之間的關系；對比了干切削、切削液、液氮冷卻條件對已加工表面的鱗刺分布及高度的影響。得到的結論如下：

(1)鱗刺形成是一個累積的過程，關鍵在于切屑在刀具前刀面滯留，層積在前刀面上，層積金屬是構成鱗刺的充分必要條件。

(2) 增大切削速度和刀具前角、減小進給量主要是通過改善刀-屑接觸面摩擦特性，減少前刀面上切屑的層積，抑制鱗刺形成的導裂階段，從而抑制鱗刺成形。低溫切削主要是通過液氮降低切削溫度，減少接觸面摩擦，減輕前刀面的切屑層積，抑制鱗刺的形成。

(3)與常溫切削相比，低溫切削有利于抑制鱗刺的形成，得到鱗刺分布較少、尺寸較小的表面，從而降低大切削用量對表面完整性的不利影響，實現高速、大進給量的切削加工，在材料去除率較高的同時，獲得較小的分布密度和尺寸的鱗刺表面，減少工件的后處理工序和成本。

(4)選用較大的切削速度、較小的進給量和較大刀具前角進行加工能夠有效抑制鱗刺的形成，得到較為光整、幾乎無鱗刺分布的表面。