7075铝合金数控车削中切削速度和切削深度对显微硬度和残余应力的影响研究

7075铝合金数控车削中切削速度和切削深度对显微硬度和残余应力
的影响研究
摘要本文采用实验的方法，研究了7075铝合金数控车削时的显微硬度和残余应力。

通过改变切削深度和切削速度对工件加工，采用维氏显微硬度计对不同周向点的显微硬度进行了计算，利用X射线衍射法分析了材料在加工过程中产生的残余应力及其大小，建立了切削参数、硬度和残余应力之间的关系，这些关系对于确定元件的使用寿命很有用。

关键词数控车削；残余应力；显微硬度
1 简介
7075铝合金是以锌为主要合金元素的铝合金。

它的强度高，可以与许多钢相媲美，具有良好的疲劳强度和加工性能，且耐腐蚀性小。

它的成本相对较高，限制了它的应用场合。

合金7075是一种冷加工铝锻制品，具有所有铝合金合金的最高强度，可用于高应力结构件。

该系当中以7075-T651铝合金尤为上品，被誉为铝合金中最优良的产品，强度高，远胜于软钢。

代表用途有航空航天、模具加工、机械设备、工装夹具，特别用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构体。

通过使用改进的维氏压痕仪结合三种压痕模型研究热喷涂空气等离子喷涂热障涂层的显微硬度、断裂韧性和残余应力的演化规律。

结果发现，在涂层的顶面上，断裂韧性在0.64～3.67 MPa范围内发生变化，相应的残余应力从36.8到243MPa变化，许多研究者认为切削速度、进给量和切削深度对显微硬度和残余应力的影响最大。

因此，根据前人的研究成果，本文主要研究切削速度和切削深度对显微硬度和残余应力的影响。

2 实验设置
使用数控车进行车削实验，切削方式为干切削，毛坯φ20x50mm，刀具刀片为硬质合金涂层刀片，按表1切削条件备件。

每次切削，切割操作仅进行20秒，并且通过仅在选择的条件下进行所有实验来确保重复性。

同时使用固定在车床上的测力计测量力的分量，并使用表面粗糙度测试仪在每个样品已加工表面的四个位置处测量表面粗糙度（Ra）值，记录平均值进行分析。

在切割机上切割长度为20mm的切片，使用锉刀和砂纸进行一些小的修理，将样品平整的放3在数字维氏显微硬度计上，施加200kgf的荷载，停留20秒。

3 结果与讨论
样品的XRD（X射线衍射）结果表明周向残余应力本质上是拉伸的，可以看出，切削速度和切削深度对表面残余应力有显著的影响。

随着每个切削深度的切削速度的增加，残余应力的演变趋势有两种：对于低切削速度，拉伸表面残余应力随着切削速度的增加而显著增加，对于高切削速度，拉伸表面残余应力随着切削速度的增加而减小，这个结果可以用热效应在加工残余应力产生过程中的影响来解释，在切割区出现两种竞争现象，一个是由于在切削区产生的热量增加，切削速度增加，这是由于工件的传热系数减少而抵消。

实际上，两种热源被假定为在切削过程中产生加工部分的温度上升，剪切区的塑性变形和刀具与工件之间的摩擦，产生的热量根据工具、材料特性和切削条件成比例地传递到切屑、工具和工件。

对于切削速度低于100m / min的切削速度范围，切削速度较低，导致切屑散热速度较慢，较高的热量传递到工件表面，引起拉伸残余应力的增加。

对于更高的速度，材料去除速率增加，切屑以及与其相关的热量在切割区域保持更短的时间，因此，加工表面的散热率降低，这导致了拉伸残余应力的降低。

国外研究人员发现，在切削速度为300m/ min时，残余应力达到最小值。

从周向残余应力与切削深度的关系可以观察到切削深度对残余应力的影响，当切削深度增加时，两个方向的拉伸表面残余应力都增加。

这一结果可以解释为切削区面积增加引起的热效应，以及切削深度增加时摩擦和塑性变形产生的热量。

这个结果与国外研究人员的结果非常吻合。

分别通过加工AISI316L和AISI1045的残余应力数值模拟，可以看出切削速度和切削深度对显微硬度的影响。

当切削速度增加时，显微硬度下降。

此外，当切削深度增加时，由于在加工表面上的热量产生和消散的影响，显微硬度降低。

在使用表面粗糙度测定器对切削速度50m / min，进给速度0.05mm / rev，切削深度0.3mm的条件下所测结果可以看出，在不同的切削速度下，表面粗糙度与切削深度有关。

在50m / min时，切削深度在0.9mm观察到最大粗糙度值0.76μm。

在100m / min时，切削深度在0.9mm和0.3mm处观察到最大粗糙度值0.57μm。

在200m / min时，切削深度在0.9mm处观察到最大粗糙度值0.72μm。

在300m / min时，切削深度在0.3mm处观察到最大粗糙度值0.68μm。

4 结束语
本文通过数控车对7075铝合金样品的切削实验，在测力计、表面粗糙度测试仪、X射线衍射和维氏显微硬度测试仪的帮助下分别获得力、表面粗糙度值、残余应力和显微硬度值，通过实验的方式，总结出切削速度和切削深度对显微硬度和残余应力的影响：切削速度对残余应力的影响在切削速度较低时呈递增趋势，在切削速度较高时有所下降，另一方面随着切削深度的增加，残余应力呈现出上升的趋势，切削速度和深度对显微硬度的影響呈现持续下降的趋势，这可以
借助于加工表面上的热量产生和消散速率及其对硬度的影响来解释。

在给定的切削速度下，切削力，推力和进给力随着切削深度增加而呈现上升趋势，随着给定切削深度的切削速度的增加，切削力、推力和进给力几乎保持不变。