对比研究了金刚石刀具和硬质合金刀具镜像铣，以及化学铣切2A12-T4铝合金试样的表面形貌、表面粗糙度、残余应力、硬度和疲劳性能。结果表明：镜像铣等厚度平板试样(一面硬质合金刀具加工，一面金刚石刀具加工)的细节疲劳额定强度比化学铣切试样提高了4.27%，而金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度则提高了22.46%；金刚石刀具镜像铣试样获得了比硬质合金刀具镜像铣试样以及化学铣切试样更高的疲劳抗力。金刚石刀具镜像铣在试样表面引入了残余压应力，提高了表面硬度，降低了表面粗糙度，并未使表层组织受到破坏，因此裂纹萌生和扩展阻力提高。化学铣切试样表面存在的点蚀坑、晶间腐蚀缺陷及残余拉应力，以及硬质合金刀具镜像铣试样表面存在的较深刀痕沟槽和残余拉应力均促进了裂纹的萌生。
1、 试样制备与试验方法
试验材料为厚2mm的2A12-T4铝合金板，化学成分如表1所示，热处理状态为固溶+自然时效，其屈服强度为276MPa，抗拉强度为461MPa，断后伸长率为13.6%，弹性模量为75GPa。在试验材料上截取尺寸如图1所示的等厚度平板试样和下陷试样，分别采用镜像铣和化铣工艺对其进行加工。
表1 2A12-T4铝合金的化学成分
采用化铣方法对等厚度平板试样表面以及下陷试样的下陷区进行加工，其他表面保持原始材料状态。化铣加工的槽液组成为200g·L-1氢氧化钠+50mL·L-1三乙醇胺+30g·L-1硫化钠+2g·L-1添加剂(有机磷酸盐)。为了对比刀具材料对镜像铣铝合金疲劳抗力的影响，等厚度平板试样的一面采用普通硬质合金刀具进行镜像铣加工，另一面采用金刚石刀具进行镜像铣加工。下陷试样的下陷区采用金刚石刀具进行镜像铣加工，下陷的台阶过渡角曲率与化铣下陷试样保持一致；其他表面部位保持原始材料状态。试样侧面均采用普通硬质合金刀具进行传统的机械铣削加工，然后采用机械方法进行抛光处理；对试样棱边进行倒圆角处理(圆角半径0.5mm)。试样侧面和倒圆角区的表面粗糙度Ra不大于0.4μm。
采用扫描电子显微镜(SEM)观察不同工艺加工后试样的表面形貌，采用SEM附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。试样经打磨、抛光，用质量分数15%NaOH溶液和凯勒试剂溶液腐蚀后，采用扫描电子显微镜观察截面显微组织。采用测量仪对试样的表面三维形貌和表面粗糙度Ra(轮廓偏差的算术平均值)、Rz(最大轮廓高度)进行表征。利用X射线应力分析仪测试试样表面的残余应力，扫描方式为固定Ψ0(X 射线入射线方位)法，Ψ0分别取0°，30°，-30°，45°，-45°，选择半高宽法定峰；选用铬靶，管电压为27kV，管电流为6mA，衍射晶面为(211)晶面；采用平行光束，照射面积为1mm×2mm，使用侧倾法进行测试。采用显微硬度计测试样的截面显微硬度，利用Knoop压头，载荷为0.245N，保载时间为20s，在距表面50μm范围内采用剥层法测表面硬度，距表面距离大于50μm时测试试样剖面显微硬度。按照航空标准 HB 5287—1996，采用电液伺服疲劳试验机进行疲劳试验，采用拉-拉加载方式，正弦波形载荷，应力比R为0.06，频率为15Hz，通过预先试验确定合适的应力水平，使同一加工状态试样的特征疲劳寿命控制在1.5×105~4×105周次范围，平行试样不少于9个。疲劳试验结束后采用扫描电子显微镜观察疲劳断口形貌。依据 HB 7110—1994，计算不同试样的细节疲劳额定强度和细节疲劳额定强度截止值。
2、 试验结果与讨论
1、表面形貌与表面粗糙度
由于等厚度平板试样和下陷试样的加工参数均一致，使得相同加工方法下不同试样的表面形貌、表面粗糙度、表面显微组织、残余应力和硬度均相同，因此仅对等厚度平板试样进行分析。由图2可以看出：化铣试样表面凹凸不平，存在点蚀坑和腐蚀产物；硬质合金刀具镜像铣试样和金刚石刀具镜像铣试样表面有明显的刀痕沟槽，但硬质合金刀具镜像铣试样表面沟槽较深，局部存在轻微脱层，金刚石刀具镜像铣试样表面平整，沟槽较浅。
由图3可见，化铣试样的表面粗糙度最大，硬质合金刀具镜像铣试样次之，金刚石刀具镜像铣试样的表面粗糙度最小，表面粗糙度测试结果与表面形貌观察结果一致。金刚石刀具镜像铣试样的Ra分别比化铣试样和硬质合金刀具镜像铣试样降低了93.3%和90.9%，Rz分别降低了87.2%和81.4%。
2、表层显微组织
由图4可知：2A12-T4铝合金组织中析出CuAl2和Al2CuMg强化相；化铣试样表面产生了深度约为10μm的点蚀坑，表层出现晶间腐蚀。微观腐蚀不均匀导致化铣试样表面凹凸不平，粗糙度较大。EDS分析发现，化铣试样表面点蚀坑底部(位置A)存在阴极析出的CuAl2相，即点蚀坑的形成是微电池促进局部腐蚀的结果。而晶间腐蚀(位置B)则是晶界析出相与无沉淀析出带及晶粒构成的微电池造成的晶间局部加速腐蚀的结果。化铣槽液中添加硫化纳可在一定程度上抑制点腐蚀和晶间腐蚀，但并不能根除这类局部腐蚀。
由图5可以看出，镜像铣试样表层组织未发生明显变化，硬质合金刀具镜像铣试样表面存在机械加工的铣切缺口，而金刚石刀具镜像铣试样表面较平整，铣切痕迹较浅。
3、表层残余应力
由图6可以看到：化铣试样表层存在较低的残余拉应力，这可能是化铣腐蚀过程造成的表面缺陷及组织结构变化导致的；硬质合金刀具镜像铣试样表层存在较低的残余拉应力，分布在距表面约55mm范围，此后转变为较低的残余压应力；金刚石刀具镜像铣试样表层存在较大的残余压应力,随
距表面距离的增大呈递减趋势。镜像铣试样表面残余应力状态与刀具加工导致的铝合金表面变形及产生的温度场有关：在金刚石刀具镜像铣过程中铝合金粘刀情况较轻，表面温升小，塑性变形均匀，由此引入了较大的残余压应力场；在硬质合金刀具镜像铣过程中铝合金粘刀较明显，表面温升大，刀痕沟槽较深，由此引入了较小的残余拉应力场。
4、表层硬度
由图7可以看出：化铣试样表层硬度与内部相近，小幅度的波动与表层腐蚀缺陷有关；2种刀具镜像铣试样表层的显微硬度均高于内部,随距表面距离的增大呈现递减趋势，硬化层深度约40mm。化铣试样的表面显微硬度为148HK，硬质合金刀具镜像铣试样和金刚石刀具镜像铣试样表面硬度差异不大，分别为239，244HK，分别比化铣试样提高了61.5%和64.8%。在镜像铣过程中刀具对2A12-T4铝合金表面施加局部高应力铣削作用，造成表层塑性变形，引起表面位错密度增大，同时表面温升和迅速冷却导致相变及组织细化，同时引入表面残余应力,由此造成表面硬度高于内部。
5、疲劳性能
化铣和镜像铣(一面硬质合金刀具加工，一面金刚石刀具加工)等厚度平板试样疲劳试验的细节疲劳额定强度截止值分别为280，270MPa，特征疲劳寿命分别为237346，370870周次。在95%置信度、5%失效概率下，化铣和镜像铣等厚度平板试样的细节疲劳额定强度分别为281.0，293.0MPa。镜像铣等厚度平板试样细节疲劳额定强度比化铣等厚度平板试样提高了4.27%。观察发现，镜像铣等厚度平板试样的疲劳源均处于硬质合金刀具加工表面，表明金刚石刀具加工表面具有更高的疲劳抗力。由此可知，金刚石刀具镜像铣取代化铣加工等厚度平板铝合金蒙皮具有明显的优势。
化铣下陷试样和金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度截止值分别为220，180MPa，特征疲劳寿命分别为237853，256117周次。在95%置信度、5%失效概率下，化铣下陷试样和金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度分别为183.9，225.2MPa，即金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度比化铣下陷试样提高了22.46%。由此表明，金刚石刀具镜像铣下陷试样的疲劳抗力较高，采用金刚石刀具镜像铣加工下陷铝合金蒙皮具有突出的优势。
由图8可以看出：化铣等厚度平板试样的疲劳裂纹均起源于化铣表面点蚀坑缺陷处，该区域应力集中严重；化铣下陷试样疲劳裂纹在下陷台阶过渡角部位表面萌生，该区域叠加了点蚀坑和过渡角处的应力集中效应；裂纹源区均呈现准解理断裂特征，裂纹从源区向内部呈放射状扩展。镜像铣等厚度平板试样的疲劳裂纹在硬质合金刀具加工的表面刀痕沟槽底部萌生，该区域应力集中严重；镜像铣下陷试样的疲劳裂纹在下陷台阶过渡角部位次表层萌生，这与该试样表面存在残余压应力密切相关；裂纹源区均呈现准解理断裂特征，裂纹从源区向内部呈放射状扩展。所有试样的裂纹扩展区和瞬时断裂区微观形貌无明显差异，因为这2个区域不受表面加工状态的影响。裂纹扩展区均为准解理穿晶断裂特征，瞬时断裂区则为韧窝状塑性断裂特征。
6、分析与讨论
金属材料的疲劳性能既与其成分和组织有关，同时也与其表面完整性密切相关。表面完整性是表面几何、物理、化学及力学特性的综合表现，具体包括表面形态特征、粗糙度、纹理、成分、组织、硬度、残余应力、变形状况等。镜像铣和化铣对铝合金的表面完整性影响不同，因而对其疲劳抗力的影响也存在差异；即使同为镜像铣，所采用的刀具不同，加工试样的表面完整性和疲劳抗力也存在明显不同。
化铣试样表面存在点蚀坑和晶间腐蚀损伤，表面粗糙度大，同时存在残余拉应力，这些因素均会促进化铣2A12-T4铝合金表面局部应力集中，从而促进疲劳裂纹的萌生与扩展，因此与镜像铣试样相比，化铣试样的疲劳抗力明显较低。镜像铣等厚度平板试样疲劳裂纹源位于硬质合金刀具加工表面的刀痕沟槽部位，这是因为这些部位沟槽深，应力集中严重，同时存在残余拉应力，从而促进了疲劳裂纹的萌生；但该试样的表面粗糙度低于化铣试样，同时不存在点蚀坑和晶间腐蚀损伤，并且其硬度高于化铣试样，疲劳裂纹萌生阻力较高，因此其疲劳抗力仍然高于化铣试样。
金刚石刀具镜像铣2A12-T4铝合金试样表面粗糙度低，刀痕沟槽浅，表面存在数值较大和一定深度分布的残余压应力以及呈梯度分布的硬化层，且组织无明显损伤，可知金刚石刀具镜像铣试样获得了良好的表面完整性，试样的疲劳裂纹萌生抗力和扩展阻力均较高，因而表现出比传统硬质合金刀具镜像铣试样和化铣试样更高的疲劳抗力。UDDIN等研究发现，在铣切过程中，刀具的磨损程度是影响加工试样表面完整性的主要因素，而金刚石刀具在加工过程中磨损程度小，因此工件表面质量好。
采用金刚石刀具对下陷试样进行单面镜像铣时，所获得的良好表面完整性缓解了过渡角区域局部应力集中，故对疲劳抗力的有利影响更加凸显，因此金刚石刀具镜像铣试样的细节疲劳额定强度比化铣试样提高了22.46%。MURAKAMI等利用表面形貌特征参数、残余应力和表面显微硬度，建立了试样表面完整性与疲劳性能之间的映射关系，定量表征了通过引入表面残余压应力、降低表面粗糙度、提高表面硬度来改善工件表面完整性，提高金属工件疲劳抗力的试验现象，这也验证了作者的研究成果。
综上，金刚石刀具镜像铣试样获得了比硬质合金刀具镜像铣试样以及化铣试样更高的疲劳抗力，这归因于金刚石刀具镜像铣在试样表面引入了数值较大、分布较深的残余压应力，表面硬度高于内部，表面粗糙度较低，表层组织未受到破坏，导致裂纹萌生阻力和扩展阻力均得到提高。化铣试样表面存在的点蚀坑和晶间腐蚀缺陷及残余拉应力促进了疲劳裂纹的萌生，硬质合金刀具镜像铣试样表面存在的较深刀痕沟槽和残余拉应力也促进了疲劳裂纹的萌生。因此，采用金刚石刀具镜像铣取代化铣应用于飞机铝合金蒙皮加工具有突出的优势。
3、 结论
(1)化铣2A12-T4铝合金试样表面存在点蚀坑、晶间腐蚀缺陷，表面粗糙度较大，表面存在残余拉应力，表面硬度为148HK，与内部硬度相近。硬质合金刀具镜像铣试样表面的硬度为239HK，明显高于化铣试样，表面粗糙度低于化铣试样，但表面存在较深的刀痕沟槽以及一定的残余拉应力。金刚石刀具镜像铣试样表面硬度为244HK，显著高于化铣试样，而表面粗糙度则显著低于化铣和硬质合金刀具镜像铣试样，同时表面存在数值较大的残余压应力。
(2)化铣和镜像铣等厚度平板试样的细节疲劳额定强度分别为281.0，293.0MPa，化铣等厚度平板试样的疲劳源位于点蚀坑缺陷处，而镜像铣等厚度平板试样位于硬质合金刀具加工表面；化铣下陷试样和金刚石刀具镜像铣下陷试样的细节疲劳额定强度分别为183.9，225.2MPa，化铣下陷试样疲劳裂纹在下陷台阶过渡角部位表面萌生，而镜像铣下陷试样则在过渡角部位次表层萌生。
(3)金刚石刀具镜像铣试样获得了比硬质合金刀具镜像铣试样以及化铣试样更高的疲劳抗力，这归因于金刚石刀具镜像铣在试样表面引入了数值较大、分布较深的残余压应力，同时使得表面硬度高于内部，粗糙度较低，表层组织未受到破坏，最终导致裂纹萌生阻力和扩展阻力均得到提高。
引用本文：
史建猛，张海宝，张月玲，等.镜像铣和化学铣切对2A12铝合金表面完整性与疲劳行为的影响[J].机械工程材料，2023，47（7）：14-21，30.
Shi J M, Zhang H B, Zhang Y L, et al.Effect of Mirror Milling and Chemical Milling on Surface Integrity and Fatigue Behavior of 2A12 Aluminum Alloy, 2023, 47（7）: 14-21，30.
DOI:10.11973/jxgccl202307003
