劉文輝 楊迅雷 儲愛民 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］。銑削加工是一個復(fù)雜的熱－力耦合過程［4］，切削力與銑削溫度的變化會對表面加工質(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)對耐蝕性影響的研究還鮮有報道，本文通過高速銑削實(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時效處理制度為120℃／12 h。實(shí)驗(yàn)在四川長征集團(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。切削力測試系統(tǒng)由Kistler測力儀、力電荷放大器、A／D數(shù)據(jù)采集卡及臺式計算機(jī)等裝置組成。采用日本電子珠式會社生產(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耐腐蝕性的影響，切削實(shí)驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)，方案見表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)，銑削過程中測量切削力。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)測量

用電化學(xué)工作站測試銑削加工表面在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)行測量，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極。測定電位為－1.5～1.5 V，動電位掃描速率為 1 mV／s，測定暴露面積為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 切削力測量與分析

采用最大切削力法來處理切削力的數(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），將測得的主切削力經(jīng)過數(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，當(dāng)切削速度達(dá)到1 099 m／min時切削力最大，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)化作用相對較弱，切削力的增大幅度不及高速時的增大幅度。當(dāng)切削轉(zhuǎn)速到達(dá)臨界1 099 m／min時，應(yīng)變和應(yīng)變率的強(qiáng)化作用以及剪切角的增大對切削力的影響與切削溫度對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，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劇［13］。圖2為切削速度為1 256 m／min、進(jìn)給量為0.1 mm／r時，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。隨著軸向切深的增大，單位時間內(nèi)切除材料的體積增大，需要消耗更多的功來去除材料，切削力也隨之增大。當(dāng)軸向切深為1.5 mm時切削力最大可達(dá)269 N，而切削速度變化時的最大切削力為158 N，軸向切深對切削力的影響強(qiáng)于切削速度對切削力的影響。

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，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。當(dāng)軸向切深較低時，單位時間內(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，切削力明顯增大，產(chǎn)生的切削熱也明顯增多，刀具對已加工表面擠壓作用加強(qiáng)，刀具振動更加劇烈，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在外力作用下不斷聚集和運(yùn)動的結(jié)果，由于刀尖鈍圓半徑的存在，使得刀尖處大量位錯沿不同方向發(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時切削力最大，對已加工表面的擠壓最大。刀具運(yùn)動時，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，表面層會產(chǎn)生斷裂形成裂紋。

2.3 電化學(xué)測試分析

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重要評判指標(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，經(jīng)過切削加工以后材料的耐腐蝕性得到了一定程度的提高。銑削加工是一個復(fù)雜的熱－力耦合過程，在銑削加工過程中不僅受到后刀面對材料的擠壓作用，還受到切削溫度對已加工表面的影響，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層，下層為基體層，表層中η和η’相被運(yùn)動位錯剪切，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，會使表面氧化膜的分布厚薄不均勻，同時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，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，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，但是最大值為158 N，在軸向切深為1.5 mm時，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，電流密度迅速增大合金表面氧化膜被擊破，其對合金的保護(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，鋁合金腐蝕過程的主要電極反應(yīng)為［17］：

在NaCl溶液中Cl－對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)極移動且電流密度呈現(xiàn)出增大的趨勢；切削轉(zhuǎn)速為4 000 r／min，軸向切深為0.25 mm時，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，微裂紋的存在會加速表面氧化膜的擊破，其對合金表面的保護(hù)失效，導(dǎo)致腐蝕加劇。

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