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高速铣削7055铝合金喷丸强化的表面完整性和疲劳行为
摘要
通过喷丸试验，研究了喷丸参数对7055铝合金表面完整性的影响。进行表面完整性测量、疲劳断裂分析和疲劳寿命试验，以揭示表面完整性对裂纹萌生和疲劳寿命的影响。结果表明，喷丸后表面粗糙度显著增加，表面出现不规则的凹坑和凸起；表面下的颗粒被细化，并导致颗粒撞击方向的偏移和变形；可以在所有加工表面上检测到压缩应力。喷丸参数对显微硬度有显著影响。与铣削试样相比，喷丸试样的疲劳寿命提高了约23.8、3.96和1.01倍。由于较低的表面粗糙度和较大的残余压应力，疲劳源区域从表面上的应力集中位置转移到表面下。
关键词：7055铝合金，喷丸处理，表面完整性，疲劳寿命，高速铣削
1.简介
高强度铝合金因其密度低、强度高、耐腐蚀性强、加工性能好而被广泛应用于航空航天、航空等领域。据统计，飞机和发动机结构中高强度合金的数量占总重量的70%-80%，常用于制造主要结构和承载部件。7055铝合金是新型高强度铝合金的杰出代表，具有比7050铝合金更高的强度和断裂韧性。为了满足飞机重量和强度的需要，7055铝合金被广泛应用于飞机蒙皮、翼梁、舱壁、桁条、起落架等的制造。
近年来，随着航空工业的快速发展和航空结构件制造水平的提高，对飞机、发动机和设备其他关键部件的长寿命要求越来越高。为了提高疲劳性能，一般来说，零件经过精密铣削后会得到强化。喷丸强化作为主要的变形强化技术之一，可以通过控制表面完整性来显著提高零件的疲劳寿命。
因此，有必要研究表面完整性及其对疲劳寿命的影响。
许多学者对铝合金材料加工的表面完整性进行了积极的研究。研究了表面粗糙度和残余应力沿深度的分布，强化层的显微组织和显微硬度。为了优化端铣7055合金的加工参数，通过正交试验研究了加工参数对表面完整性的影响。同时，许多学者发现由沉淀硬化铝合金制成的经表面处理的试样表现出更好的抗疲劳裂纹萌生能力，其抗疲劳裂纹萌生能力为1.2-6倍。表面强化后的表面完整性分析对于提供最佳疲劳性能非常重要。
Lv et al等发现，腐蚀铝合金试件的疲劳寿命明显高于未进行热喷丸处理的试件。表面应力诱发的压应力有利于提高材料的疲劳寿命；Curties et al.等人研究了控制应力强度因子对高强度铝合金疲劳损伤的影响，分析了控制应力强度因子对止裂和疲劳寿命的影响；Trsko等人研究了AW 7075铝合金在不同强度的强喷丸处理后的疲劳寿命，发现强喷丸处理会导致初始疲劳裂纹数量的增加；泽格和格鲁姆研究了两种类型的铝合金(EN AW 2007和EN AW 6082)机械硬化后的表面完整性，并发现最剧烈的处理条件会导致表面变形，这可能导致裂纹，并随后导致机械零件的坍塌。祖潘克和格鲁姆研究了喷丸处理铝合金7075- T651的表面完整性，并证实在表面处理后疲劳强度增加，这是由于压缩残余应力对疲劳裂纹成核的影响。他们认为，对塑性变形和残余应力分布不断增加的抵抗力提供了相应的疲劳裂纹闭合。Gaoand Trdan等人研究了铝合金的激光和喷丸表面改性。
目前，对铝合金的研究主要集中在7050铝合金上。但是这种新的合金材料7055铝合金很少被研究。高速铣削后表面完整性和疲劳行为的研究很少。高速铣削后试样的表面完整性和疲劳断裂没有得到全面系统的分析，特别是缺乏高速铣削试样和高速铣削试样的表面完整性的比较。本研究以7055铝合金为研究对象，主要目的是研究不同切削参数和相同高速铣削条件下的表面完整性以及表面完整性对疲劳寿命的影响。进行了表面完整性试验、表面完整性测量和疲劳试验，为7055铝合金表面完整性控制提供了试验数据。
- 实验材料和程序工件材料
2.1工件材料
所有实验中使用的工件材料是7055铝合金，一种高性能的铝锌镁铜铝合金。较高的锌镁比和铜镁比以及锆的加入提高了合金的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。表1和表2描述了7055铝合金的化学成分和机械性能。
表1.AL7055的化学成分
表2.AL7055的机械性能
2.2实验方案
7055铝合金试样的尺寸为30mm*20mm*10mm。所有试样均在米克隆HSM 800上加工，最大主轴转速为36000转/分钟。直径为12mm的三槽无涂层硬质合金端铣刀用于下铣和端铣。加工时，主轴速度n= 29194转/分，铣削速度nc= 1100米/分，每个齿的进给fz= 0.04mm，铣削深度ap= 0.5mm，铣削宽度ae= 6mm。
在加工完所有八个试样后，为了研究喷丸表面的完整性，它们在真空型砂轮磨光机MP4000 SP机器上进行喷丸处理。SP使用陶瓷颗粒。弹丸直径在0.215-0.600mm范围内。入射角为45°。表面强化的强度在0.05mmN-0.2mmA(3N= A)的范围内，阿尔门试样的挠度由s测量和表示。八个试样的具体喷丸参数如表3所示。
表3.喷丸实验过程
厚度为3 mm的疲劳试样的几何形状(结构应力集中系数Kt= 1)如图1所示，其中X方向是铣削进给方向，Y方向是垂直铣削进给方向，两者分别对应于残余应力sx和sy。在室温下，在QBG-20高频疲劳试验机上进行正弦加载波疲劳试验。加载频率范围为85至87赫兹，循环应力比为0.1，最大标称应力为300Mpa。为疲劳试样选择表4中试样1、4和8的应力强度参数。
表4.铣削和喷砂的残余应力差。
图1.疲劳试样几何形状
1.垂直于表面的方向2.应力方向
2.3表面完整性测试
表面完整性测试方法非常重要，喷丸表面完整性测试区域如图2所示，为了统计重复性的显著性，进行多次测量，并计算平均测试值。
图2.表面完整性测试区域
表面粗糙度和地形：TR240粗度计用于测量表面粗糙度，沿铣削进给方向在加工表面的区域A选择六个点。为了测量的统计意义，每个测量点被测试六次并取平均值。被测样本长度为0.8mm，评估长度为5.6mm。
表面形貌由Alicona自动光学测试仪在加工表面的E区进行测试。测量时，放大倍率设置为5倍，测量范围设置为0.42*0.4mm。在形态学测试区域选择一条剖面线，可以得到峰谷之间的最大凹坑深度和凹坑直径。
残余应力：利用PROTO LXRD MG2000残余应力测试系统对工件上的残余应力进行了测试。测量前用铝合金块校准仪器。选择图2所示加工表面区域B中的三个等距点来测试残余应力。为了获得沿深度的残余应力分布，用电化学方法剥离试样，并且剥离深度为5-10mm。对于剥离的样品，测试残余应力，直到接近主体的残余应力。
显微硬度：显微硬度测试采用FEM-8000半自动数字显微硬度测试系统。在测试过程中，测试力设置为25 gf，负载保持时间设置为6 s。在加工表面上的区域C中选择五个等距点来测试显微硬度。为了获得深度方向的显微硬度分布，将试样安装在嵌入式机器中。然后进行粗磨、精磨和抛光，测量材料的显微硬度。显微硬度是通过在表面下移动5-10mm直到接近身体的硬度来测量的。
微观结构：金相试样由切割试样制成，显示为区域d。然后，切割部分经过研磨和抛光后被腐蚀；腐蚀物匹配为HCl:HNO3:HF:H2O= 3:5:2:100。用扫描电镜观察了切割断面的微观结构。
3.表面活性剂参数对表面完整性的影响
3.1表面形貌和粗糙度
八块高速铣削样品的表面粗糙度几乎可以控制在Ra = 0.26mu;m，铣削样品的三维(3D)表面形貌如图3所示，表面纹理清晰。表4中不同喷丸参数下1-8个喷丸工件的表面形貌如图4所示。从图3和图4可以看出，由于喷丸过程中弹丸的冲击和挤压，试样表面产生明显的塑性变形，并形成不同直径和深度的凹坑。在不同的SP参数下，凹坑的直径和深度也不同。铣削痕迹很难识别。
图3 .铣削7055合金的三维表面形貌(Ra = 0.26mu;m)。
图4(a)-(d)显示了当弹丸直径在0.215-0.425mm范围内时，不同表面强度下的表面形貌。凹坑深度和直径随着表面强度的增加而逐渐增加。凹坑分布变得稀疏，表面粗糙度逐渐增加。当表面强度从0.05增加到0.1mmN时，凹坑深度从8.3增加到11.4mu;m，凹坑直径从90增加到120mu;m，表面粗糙度从Ra= 1.22增加到1.95mu;m。当表面强度从0.15增加到0.2mmA时，凹坑深度从14.6到16.1mu;m，凹坑直径从110增加到130mu;m，表面粗糙度从Ra= 2.80增加到3.91mu;m。
图4(e)-(h)显示了当弹丸直径在0.425-0.6mm范围内时，在不同表面等离子体强度下的表面形貌。表面形貌变化规律与图4(a)-(d)中的几乎相同。但是坑的深度和直径逐渐变大。凹坑分布变得更加稀疏，表面粗糙度变得更大。
在图4(a)和(e)、(b)和(f)、(c)和(g)或(d)和(h)的综合对比中，可以看出，当表面等离子体强度为0.05mmN时，凹坑深度从4.7mu;m减少到3.2mu;m，凹坑直径从0.09mm增加到0.15mm，弹丸直径从0.215- 0.425mm增加到0.425-0.6mm。当表面等离子体强度分别为0.10mmN,0.15mmA,0.020mmA时，图5显示，凹坑深度和直径随着弹丸直径的增加而增加，喷丸后的试样表面粗糙度随着喷丸直径的增加而增加。当弹丸直径在0.2A SP强度下从0.215-0.425增加到0.425- 0.6mm时，表面粗糙度从Ra= 3.91增加到5.76mu;m。
图4.不同参数喷丸后的表面形貌:(a)试样1 (Ra = 1.22mu;m)， (b)试样2(Ra = 1.95mu;m)， (c)试件3 (Ra = 2.80mu;m)， (d)试件4 (Ra = 3.91mu;m)， (e)试件5 (Ra = 1.72mu;m)， (f)试件6(Ra = 3.33mu;m)、(g)试件7 (Ra = 4.85mu;m)和(h)试件8 (Ra = 5.76mu;m)。
图5 .喷丸参数对表面粗糙度的影响
3.2残余应力
图6显示了在不同应力强度参数下，沿喷丸和铣削试样深度的残余应力分布。从图6中，可以找到sigma;x和sigma;y沿未切削试样(即铣削试样)深度的残余应力分布曲线。因此，对于未切割的试样，残余应力从下表面应力增加到表面以下5mu;m处的最大残余压应力。然后，残 余应力逐渐降低到身体的应力。未取样试样的残余压应力层深度约为40mu;m。
不同制造条件下的残余应力分布不同。区别表现在表4中，根据表面残余应力、最大残余应力和残余应力层的深度，其中a0、a1、a2、a3和a4是图6中sigma;rsigma;ur的位置，b0、b1、b2、b3是图6中sigma;rmax的位置。
图6 .不同喷丸参数下沿深度的残余应力分布:(a) dshot = 0.215-0.425mm，(b) dshot = 0.215-0.425mm，(c) dshot = 0.425-0.6mm，(d) dshot = 0.425-0.6mm
从图6和表4可以看出，当应力强度从0.05mmN增加到0.2mmA时，sigma;x和sigma;y沿深度的分布有以下规律:
- 残余应力都是压应力。从图6(a)可以看出，当应力强度为0.05mm牛顿、0.10mm牛顿和0.15mm牛顿时，残余应力分布的变化趋势几乎相同。从加工面到10-15mm深度处的次表面先减小，形成凸点，然后增大，形成凹点；直到它分别在25、80和80-90mm的深度被转换成身体的压力。图6(b)显示sigma;x的变化与sigma;y的变化几乎相同。当应力强度为0.20mmA时，残余应力分布相对不同。
2.从图6(a)和(b)中可以看出，随着应力强度比的增加，应力强度比和应力最大值都减小，应力最大值的位置从表面变化到内部，残余应力层di的深度从d1 = 25mu;m增加到D4 = 80-95mm。当表面等离子体强度从0.05mmN增加到0.20mmN时，表面等离子体强度从-280减少到-300，从-175减少到-200Mpa，表面等离子体强度最大值也从280减少到300，从200减少到250Mpa。这些差异可能是由于应力中不同的最大塑性变形位置造成的。当应力强度较小时，最大塑性变形发生在近表面，因此最大残余应力出现在表面。但对于较大的应力强度，最大塑性变形可能发生在最大残余压应力出现的内部，而不是表面。对于dshot= 0.425-0.6mm，如图6(c)和(d)所示，除sigma;rmax外，这些差异与dshot= 0.215-0.425mm更明显相同。因此，当冲击强度由小变大时，亚表面的残余应力分布会发生变化，而表面残余应力sigma;rsigma;ur并不表示冲击强度变化引起的整体反应。
3.随着强度的增加，从图6(a)和(b)，sigma;rmax从280到300到200到250兆帕明显减小，sigma;rmax的位置从地表到地下变化。根据图6(c)和(d)，sigma;rmax的降低从275到320到280兆帕变化不明显，但sigma;rmax的位置从地表到地表下约100-110mm变化明显。
4.当应力强度相同时，颗粒直径越大，残余压应力层的深度越大。当应力强度为0.05mmN，弹丸直径在0.215-0.425mm和0.425-0.600mm之
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