鄭廣花 劉孟陽 張嘉慧 黃留洋 付宏鴿

【摘?? 要】?? 金屬材料在切削加工過程中，表層晶粒在機械載荷和熱載荷的劇烈沖擊作用下快速再結晶使表面形成晶粒細化層，該細化層嚴重影響材料使役性能。在研究切削加工晶粒尺寸演化機制的基礎上，通過DEFORM仿真軟件實現(xiàn)7075鋁合金晶粒尺寸演化過程，開展單因素法試驗，構建了晶粒尺寸關于切削速度、進給量的預測模型。結果表明：切削速度增加，表層晶粒尺寸增大，細化層厚度減?。贿M給量增加，晶粒尺寸和細化層厚度在溫度和塑性變形共同作用下先增加后減小。通過實驗驗證，該模型能夠較為準確地預測材料表面晶粒尺寸。

【關鍵詞】?? 7075鋁合金；晶粒尺寸；細化層；DEFORM

Study on Grain Size Evolution Mechanism of

7075 Aluminum Alloy during Machining

Zheng Guanghua， Liu Mengyang， Zhang Jiahui， Huang Liuyang， Fu Hongge

（North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China）

【Abstract】??? During the cutting process of metal materials， the surface grains rapidly recrystallize under the severe impact of mechanical and thermal loads， forming a grain refinement layer on the surface， which seriously affects the material's service performance. On the basis of studying the evolution mechanism of grain size in cutting machining， this article uses DEFORM simulation software to achieve the evolution process of grain size in 7075 aluminum alloy， conducts single factor method experiments， and constructs a prediction model of grain size regarding cutting speed and feed rate. The results show that as the cutting speed increases， the surface grain size increases， and the thickness of the refined layer decreases; as the feed rate increases， the grain size and refined layer thickness first increase and then decrease under the combined effect of temperature and plastic deformation; experimental verification shows that the model accurately predicts the surface grain size of materials.

【Key words】???? 7075 aluminum alloy; grain size; refinement layer; DEFORM

〔中圖分類號〕? TP319??????????????? ???? ????? ???〔文獻標識碼〕? A????? ???????????? 〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）02- 0057 - 05

[收稿日期]?? 2023-12-25

[基金項目]?? 北華航天工業(yè)學院重點項目（ZD202302）；北華航天工業(yè)學院創(chuàng)新資助項目（YKY-2022-03）；河北省研究生建設項目（KCJSX2024110）

[作者簡介]?? 鄭廣花（1967- ），女，碩士，北華航天工業(yè)學院機電工程學院教授，碩士生導師，研究方向：精密制造技術。

0???? 引言

7075鋁合金作為一種高強度可熱處理的合金材料，具有耐高溫、耐腐蝕、加工性能好等優(yōu)異性能，廣泛應用于航空航天、國防軍工等重要領域［1-3］，多用于航空器結構件、導彈殼、燃燒室等重要承力構件。由于長期暴露于高溫、高壓等惡劣環(huán)境，使役性能備受關注。在服役過程中發(fā)現(xiàn)，切削加工表面的晶粒尺寸對金屬的力學性能具有很大的影響［4-5］，因此對切削過程中晶粒尺寸演化機理及預測研究尤為重要。

國內(nèi)外學者對切削過程晶粒尺寸演化過程已經(jīng)進行了一定的研究。H Ding等［6］建立了鋁和銅在切削過程中晶粒細化的模型，并利用有限元模型捕捉了切削過程中變形場和晶粒細化機理的本質特征。尹浩等［7］在7075鋁合金的切削仿真過程中考慮了其微結構的變化，通過子程序對微結構的變化特征進行了定義，對其微結構變化的動態(tài)過程進行了仿真。鐘鑫等［8］對TC4加工過程中晶粒細化進行了模擬，發(fā)現(xiàn)切屑晶粒細化主要發(fā)生在剪切區(qū)和第二變形區(qū)，剪切區(qū)晶粒細化程度大于第二變形區(qū)。周滔等［9］對切屑形成過程中塑性變形引起的微觀組織演化過程進行了建模，并模擬出鋁合金的剪切區(qū)位錯密度和晶粒尺寸的演化過程。

通過文獻分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學者對切削過程工件表面晶粒尺寸變化研究主要集中在細化機理以及剪切區(qū)域晶粒尺寸演化過程方面，部分學者［10-11］研究了切削參數(shù)對晶粒尺寸演變規(guī)律的影響，但沒有給出合理的模型對晶粒尺寸演化過程進行預測。本文通過開展有限元仿真單因素試驗，分析切削速度、進給量對晶粒尺寸的影響規(guī)律，建立了晶粒尺寸關于切削用量的預測模型。

1???? 切削加工晶粒尺寸演化機制

1.1?? 切削加工晶粒尺寸演化機理

切削加工過程中，伴隨著局部高應變、高壓和高溫，已加工表面在刀具后刀面的擠壓和摩擦下，產(chǎn)生嚴重的熱-彈塑性變形，表層材料晶粒在加工過程中出現(xiàn)擠壓、拉長、形核和再結晶，工件表層出現(xiàn)晶粒細化現(xiàn)象，如圖1所示。刀具未接觸工件時，工件表面初始平均晶粒尺寸如基體尺寸均勻分布；當?shù)毒呓佑|到工件時，已加工表面晶粒在刀具的擠壓和摩擦作用下發(fā)生拉長、纖維化和扭曲等變化，位錯阻力增加，如圖1中放大圖①所示；當?shù)毒呃^續(xù)運動，切削溫度隨之升高，伴隨著積聚應變能的作用，原始晶粒大角度晶界中的一小段向晶粒內(nèi)部弓出，弓出部分形成新的再結晶晶核，如圖1中放大圖②所示；隨后，再結晶晶核不斷吞食周圍基體并迅速長大，隨著切削溫度的升高，在原來被拉長組織中出現(xiàn)新的無畸變的等軸晶粒，如圖1中放大圖③所示，發(fā)生再結晶現(xiàn)象，同時，材料的性能也隨之改變。

1.2?? 切削加工晶粒尺寸演化有限元法仿真

本文通過有限元仿真軟件DEFORM-2D（v10.2）實現(xiàn)7075鋁合金切削加工晶粒尺寸演化機理分析。

1.2.1?? 幾何模型建立

本例在車削（Turning）加工分析單元建立有限元二維切削模型，選取刀具材料WC硬質合金，刀具前角和后角均為5°，刀尖圓弧半徑為0.08 mm，默認為剛體，同時將工件設為彈塑性體。工件材料為鋁合金7075，通過（Insert Geometry）定義刀具和工件形狀，生成二維切削模型。

1.2.2?? 材料模型

本文選用DEFORM自帶7075鋁合金材料模型，如式（1）所示。

[σ=σ（ε，ε，T）] ????（1）

式（1）中，[σ]為材料的流動應力；[ε]為材料的應變；[ε]為材料的應變率；T為材料的溫度。

1.2.3?? 網(wǎng)格劃分、邊界和接觸條件

網(wǎng)格劃分采用自適應網(wǎng)格劃分技術進行，工件和刀具均采用四面體進行劃分，工件網(wǎng)格數(shù)為1000，刀尖和工件接觸部位網(wǎng)格劃分稠密；加工模擬過程中，刀具設為移動，工件X和Y方向設為固定，設置切削用量及接觸條件；傳熱和熱傳導設為0.02 N/sec/mm/C和45 N/sec/mm/C，摩擦因數(shù)0.6，環(huán)境溫度為20 ℃。

1.2.4?? 位錯數(shù)學模型

本文基于DEFORM自帶的Laasraoui-Jonas硬化和恢復模型改進版本的位錯數(shù)學模型，如式（2）-（5）所示。

[dρi=（h-rρi）dε] ????? ???????（2）

[h=h0（εε0）mexp（mQRT）]? （3）

[r=r0（εε0）-mexp（-mQRT）] ???? ????（4）

[Nr=[（#Rows）（#Columns）2K]2h（dε）（1-2m）] （5）

式中：[ρi]為初始位錯密度；[ε]為應變增量；[?]為硬化參數(shù)；r為動態(tài)回復軟化率系數(shù)；[ε]為應變速率；[ε0]為應變速率修正系數(shù)；m為硬化敏感系數(shù)；Q為激活能；R為摩爾氣體常數(shù)；[r0]為回復常數(shù)；[?0]為回復常數(shù)；T為絕對溫度；K為用戶指定。根據(jù)文獻和DEFORM書籍閱讀參考［12-13］，選取7075鋁合金參數(shù)如表1所示。

1.2.5?? 仿真結果

切削速度為200 m/min，進給量為0.1 mm/r切削加工7075鋁合金時的仿真結果如圖2所示。材料在未加工時晶粒均勻分布 （圖2（a））；當?shù)毒呓佑|到工件時，在溫度和擠壓的作用下，工件首先是在畸變度大的區(qū)域產(chǎn)生新的無畸變晶粒（圖2（b）），然后逐漸消耗周圍的變形基體而長大，直到形變組織完全改組為新的無畸變的細等軸晶粒為止（圖2（c））。在整個過程中，因為切削是迅速的，在切削后工件被迅速冷卻，從而抑制晶粒增長，達到晶粒的細化，最終在已加工表面形成一層細化層。仿真結果表明，已加工表面的晶粒演化過程仿真與上文切削加工晶粒尺寸演化機理一致。

2???? 切削參數(shù)對切削過程晶粒尺寸及細化層的影響

2.1?? 切削仿真單因素法試驗設計

為探索切削參數(shù)對加工表面晶粒尺寸及細化層的影響規(guī)律，以切削速度和進給量兩因素為變量，設計單因素法試驗，如表2所示。

表2?? 單因素法仿真切削方案

[序號????? 切削速度（m/min）???? 進給量（mm/r）?? 1???? 50??? 0.10 2???? 100? 3???? 200? 4???? 300? 5???? 400? 6???? 300? 0.10 7?????? 0.15 8???? 0.20 9???? 0.25 10??? 0.30 ]

2.2?? 切削速度對平均晶粒尺寸及細化層的影響

圖3為切削速度對晶粒尺寸和細化層深度的影響趨勢圖。從圖3（a）中可以看出，隨著切削速度的增加，平均晶粒尺寸有微小增加，細化層厚度明顯減小。主要原因為隨著切削速度增加、溫度增加，變形速度加快，表層晶粒以大角度晶界遷移、晶粒相互吞食，再結晶后晶粒尺寸也越大。但是在切削速度低于100 m/min條件下沒有達到再結晶溫度，此時隨著變形的程度增加，核心的形成率與核心增長速率的比值持續(xù)增加，晶粒不斷細化，在切削速度50 m/min條件下，變形量最大，速度增加，變形量減小，細化層隨著切削速度增加而減小，如圖3（b）所示，原因可能為隨著切削速度增加，材料表面的扭曲和拉伸應力增大，細化層厚度形成受到了約束。較大的切削速度可能使整體材料力學性能下降，影響材料的使用壽命和穩(wěn)定性。

2.3?? 進給量對平均晶粒尺寸及細化層的影響

圖4為進給量對平均晶粒尺寸和細化層厚度的影響趨勢圖。由圖4（a）可知，隨著進給量增加晶粒尺寸和細化層厚度先增加后減小，溫度和塑性變形呈增加趨勢，在同樣的切削速度下已達到再結晶溫度。究其原因，隨著溫度升高表面再結晶晶粒尺寸增大，而塑性變形增加到一定程度后晶粒尺寸細化程度增加。由圖4（b）可知，進給量小于0.15 mm/r時，晶粒主要受溫度影響，隨著進給量的增加，表層晶界原子移動、晶粒之間并吞速度加快，晶粒在短時間內(nèi)長大，細化層深度逐漸增加；進給量大于0.15 mm/r時，隨著進給量的增加，變形增加，晶粒有較高的畸變能，隨著塑性變形的持續(xù)發(fā)展，畸變能逐漸增加，當達到一定值時，就會引起晶界運動和滑移，導致晶體內(nèi)部位錯增高、發(fā)生斷裂以及形態(tài)更改，最終得到細小晶粒，細化層深度也隨之減小。

3???? 7075鋁合金切削加工表面平均晶粒尺寸預測模型及驗證

3.1?? 平均晶粒尺寸預測模型

為了更加精確地揭示切削用量與平均晶粒尺寸之間的關系，選用二次多項式回歸模型研究瞬時高載荷下平均晶粒尺寸d與切削速度ν、進給量f之間的關系，建立瞬時高載荷下平均晶粒尺寸的經(jīng)驗模型，如式（6）所示。

[d=a0+a1v+a2f+a3v2+a4f2+a5vf] （6）

式中，[a0]-[a5]為自變量系數(shù)。

表3為通過仿真獲得的切削用量及對應的平均晶粒尺寸。通過表3中數(shù)據(jù)對式（6）進行擬合，得到瞬時高載荷下平均晶粒尺寸d關于切削用量的預測模型，如式（7）所示。

[d=2.7231+0.0013v+11.6198f-0.0000017393v2-34.4958f2+0.0048vf]? （7）

對預測模型的判定系數(shù)和檢驗性進行計算，結果表明：判定系數(shù)R2=90%，檢驗性P<0.05，說明平均晶粒尺寸d與切削用量之間存在明顯的回歸關系，模型中的切削速度和進給量對平均晶粒尺寸影響高度顯著，可以用回歸模型進行表征。

3.2?? 模型驗證

為了驗證預測模型的準確性，將切削速度720 m/min、進給量0.1 mm/r仿真值和擬合值與尹浩等人［7］試驗值相對比，如表4所示，仿真結果與數(shù)學模型預測以及試驗結果有較高的一致性，誤差分別為1.7%和2.5%。

4???? 結論

在建立切削加工晶粒尺寸演化機制的基礎上，利用DEFORM有限元軟件對7075鋁合金切削加工中的晶粒尺寸和細化層厚度進行了系統(tǒng)研究，構建了7075鋁合金切削加工中的晶粒尺寸的演變唯象預測模型，為實際切削加工提供了理論依據(jù)，得出如下結論：

（1）隨著切削速度增加，7075鋁合金已加工表面表層晶粒尺寸隨之增大，細化層厚度逐漸減小。

（2）隨著進給量的增加，溫度升高，晶粒尺寸和細化層厚度在溫度和塑性變形共同作用下先增加后減小。

（3）基于二次多項式回歸模型建立了7075鋁合金晶粒尺寸關于切削速度、進給量的唯象預測模型，結果表明：仿真結果與數(shù)學模型預測以及試驗結果有較高的一致性，誤差分別為1.7%和2.5%，一致性較好。

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