铣削条件下不同材料表面完整性对疲劳寿命的影响综述

律 谱

(郑州大学 河南 郑州 450000)



铣削条件下不同材料表面完整性对疲劳寿命的影响综述

律 谱

(郑州大学 河南 郑州 450000)

随着国防事业和航天事业的发展，越来越需要高速重载高寿命的机械装备，而关于机械零件的抗疲劳设计国内还处于比较落后的水平，为了填补这一方面的空白，国内大量的科学工作者对零件的疲劳寿命设计进行了研究，而零件的疲劳寿命又和零件的加工工艺有关。铣削作为一种成熟的被广泛采用的材料成型工艺由于材料去除率高、性能稳定、铣削过程简单被广泛的应用在机械装备的零件成型过程中。因此，研究铣削工艺对不同材料表面完整性对疲劳寿命的影响也就显得十分重要。本文从7055铝合金的铣削高速加工和TC4钛合金的高速铣削加工入手进行分析，进而总结出铣削加工对这两种不同材料的表面完整性影响。

铣削；材料表面完整性；疲劳寿命；影响综述

一、铣削加工条件下材料表面完整性对疲劳寿命的影响

(一)铣削加工对7055铝合金表面完整性的影响

高强度铝合金拥有低密度、高强度、高的韧性以及耐腐蚀等优良性能被广泛的应用在航空工业当中，用于制造飞机机身、座椅等部件。因此研究高强度铝合金的表面完整性对疲劳寿命的影响对航天事业影响巨大。而在高强度铝合金中7055铝合金又是典型的一种。对于7055铝合金零件疲劳寿命的性能研究主要从零件的表面粗糙度、残余应力、硬度、表层组织等方面开展。其中Rao和Shin[[1]对高速铣7075-T6铝合金进行了研究，研究发现当铣削速度在518～1585 m/min时零件表层残余应力为压应力，并且每齿进给量增大时表面压应力越大。铣削速度越大压应力越小，铣削深度越大压应力越小。唐克岩[2]对7075铝合金薄壁件在500～1200 m/min的铣削速度下进行实验，表明铣削速度对表面粗糙度的影响不大，而表面粗糙度随着铣削每齿进给量和铣削深度的增加而增加。其中谭靓等[3]关于7055铝合金高速铣削加工表面完整性对疲劳寿命进行了详细研究，通过对实验结果的研究对7055铝合金进行了不同方面的表面完整性分析。通过对铣削速度和每齿进给量的研究发现铣削速度越大加工表面的粗糙度就越小，而随着每齿进给量的增大零件的表面粗糙度越来越大，而其增大的主要原因是由于大的进给量导致了铣削残留层厚度的增加。进而使其表面粗糙度增大。又通过研究铣削速度和每齿进给量的研究发现铣削产生的残余应力为压应力且速度越大式样的残余应力也会增大且呈线性趋势。而又因为在大的残余压应力的条件下零件的弯曲疲劳寿命会提高因此可以看出当运用高速铣削时铣削速度越大产生的残余压应力越大进而其弯曲疲劳寿命越高。又通过研究表面硬化对疲劳寿命的影响发现加工硬化对零件的弯曲疲劳寿命影响不明显，可以忽略不计。综上所述，我们可以总结出铣削加工高强度铝合金其表面完整性对疲劳寿命的影响有：①铣削速度越大其加工表面的残余压应力越大，其弯曲疲劳寿命越高。②铣削加工会在工件表面产生加工硬化，但是加工硬化对工件的弯曲疲劳寿命的影响十分微小在理论计算中可以忽略不计。③铣削表面的表面粗糙度随着铣削速度的增大而减小，随着每齿进给量的增大而增大。④相比较残余应力和表面粗糙度对高速铣削高强度铝合金的弯曲疲劳寿命影响来看，表面粗糙对疲劳寿命的影响大于其残余应力的影响。

(二)铣削加工对TC4钛合金表面完整性的影响

钛合金作为目前在军事、航天以及医疗领域中广泛应用的金属材料以其良好的力学性能和耐腐蚀性能吸引了越来越多科研者的目光，但是要想将这种材料广泛高效的应用还需要对其进行关于材料性能的详细研究，其中对钛合金的表面完整性研究是提高其疲劳寿命的主要技术手段。因此，国内外对其进行了大量的研究，其中Che-Haron[4]通过研究车削对钛合金表面完整性的影响发现车削会使钛合金加工表面产生微观组织和显微硬度的变化，长时间使用磨损的刀具进行钛合金加工会使其产生严重的塑性变形以及加工硬化。Sridha[5]研究了铣削加工对钛合金加工表面残余应力的研究，结果表明当铣削速度为11～56 m/mim时铣削加工表面的残余应力基本为残余压应力且不呈线性变化。史兴宽等[6]研究表明钛合金在高速铣削的情况下能够得到比常规铣削更好的表面完整性。杜随更等[7]通过对钛合金高速铣削的实验表明，铣削切道中心的表面质量由于切道边缘，并且随着铣削转速的增加和切深的增加铣削表面的变质层厚度也会增加。通过以上的研究可以总结出：①钛合金在一定的铣削速度范围内可以获得表面残余压应力。②高速铣削能够使钛合金获得更好的表面完整性。③铣削会在钛合金表面产生显微组织的变化和加工硬度的产生，并且随着切深和进给量的增加加工硬化的作用越明显。④铣削过程中刀具不同位置的表面完整性不同，切道中心的表面完整性优于切道边缘。

(三)不同材料铣削加工表面完整性对比

通过以上不同材料条件下铣削加工工艺对材料表面的表面完整性分析可以发现：①无论是钛合金还是高强度铝合金铣削速度、切深、进给量都会对材料的表面完整性产生影响，并且都是铣削速度越高其表面粗糙度越小，切深和进给量越大其被加工表面的加工硬化作用就越明显，但是加工硬化对试样的疲劳寿命影响可以忽略不计。②不同材料在不同铣削速度下的残余应力产生效果不同，对于高强度铝合金其铣削速度越大被加工表面的残余压应力越大，而对于钛合金其残余压应力只出现在一定的铣削速度下。

[1]Rao B，Shin Y C.Analysis on high-speed face-millingof 7075-T6 aluminum using carbide and diamond cutters[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2001,41(12):1763-1781

[2]唐克岩.铣削参数对航空铝合金薄壁件表面粗糙度的影响[J].硬质合金,2012,29(1):42-45

[3]谭靓,姚倡锋,张定华.7055铝合金高速加工表面完整性对疲劳寿命的影响[J].机械科学与技术,2015,06:872-876.

[4]Che-Haron C H.Tool life and surface integrity in turning titanium alloy.JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY,2001,118;231～237

[5]Sridhar,BR;Ramachandra,K;Padmanabhan,K,et al.Effect of machining parameters and heat treatment on the residual stress distribution in titanium alloy IMI-834.JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY,2003,139;628～634

[6]史兴宽,杨巧凤,蔡伟,张明贤,陈明,张树全,宋良煌,唐晓兰.钛合金TC4高速铣削表面完整性的研究[J].航空制造技术,2001,01:30-31+35.

[7]杜随更,吕超,任军学,杨振朝.钛合金TC4高速铣削表面形貌及表层组织研究[J].航空学报,2008,06:1710-1715.

律谱(1993-)，男，汉族，河南驻马店人，硕士生，河南省资源与材料工业技术研究院，机械工程。