上海交通大学的陈明教授团队：高温合金蜂窝芯高速铣削材料去除机理与损伤行为丨JME文章推荐

引用论文

史兰宇,王晨光, 陈杰, 郭国强, 黄文斌, 安庆龙, 明伟伟, 陈明. 高温合金蜂窝芯高速铣削材料去除机理与损伤行为[J]. 机械工程学报, 2022, 58(23): 284-295.

SHI Lanyu, WANG Chenguang, CHEN Jie, GUO Guoqiang, HUANG Wenbin, AN Qinglong, MING Weiwei, CHEN Ming. Material Removal Mechanism and Damage Behavior in High-speed Milling of High-temperature Alloy Honeycomb Core[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(23): 284-295.

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高温合金蜂窝芯材料是一种薄壁多芯格结构，芯格形状为正六边形，一般蜂窝芯材料孔隙率超过80%，具有高比刚度、轻质和能量吸收特性好等优点，在高超声速飞行器和可重复使用运载火箭中被广泛用作热防护材料。高温合金蜂窝芯材料制备方法主要有两种：拉伸法和成形法。拉伸法是通过胶条胶结金属材料，再进行叠合拉伸获得蜂窝芯材料的方法，拉伸法制备蜂窝芯材料成本低、效率高，但精度较差；成形法是通过冲压方式将金属材料制成蜂窝形状瓦楞板，再通过点焊的方式形成蜂窝芯材料，焊点强度是评估蜂窝芯材料的重要技术指标，成形法制备蜂窝芯材料精度较高，主要应用于航空航天等高精尖领域。高速铣削是高温合金蜂窝芯零件成型过程中重要的减材制造工艺，高温合金材料具有良好的高温强度、抗腐蚀特性，尤其具有良好的加工塑性，容易发生塑性变形，由于蜂窝芯格的特殊结构，面内刚度很低，所以高温合金蜂窝芯在铣削加工过程中受到较小的切削力就会产生较大的塑性变形，导致蜂窝芯材料的加工精度低、加工损伤难以控制，加工损伤的种类和占比直接影响着蜂窝芯材料后续的焊接强度和装配精度。

针对高速铣削蜂窝芯材料容易产生加工损伤的问题，许多学者针对优化加工工艺展开了研究。现有研究表明，切削力与加工损伤有强相关性，但目前还缺少切削力对蜂窝芯加工损伤的影响规律和原因研究。教授团队运用有限元仿真模拟蜂窝芯材料切削去除过程，可以对切削时的刃口-材料接触区的瞬时应力分布进行分析，从而以更基础的方式研究加工损伤诱发因素。该团队以题为《高温合金蜂窝芯高速铣削材料去除机理与损伤行为》发表在《机械工程学报》2022年23期。蜂窝芯材料的去除机理与传统材料的去除机理不同，蜂窝芯材料是一种正六边形重复密排结构且蜂窝壁为典型薄壁结构。切削过程具有非连续特性，切削刃对每一条蜂窝壁的切削过程组成了整体蜂窝芯材料的切削过程，所以研究切削刃与单条蜂窝壁的切削过程中的应力分布和切屑产生规律对研究整体蜂窝芯材料的去除机理具有很重要的意义。

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试验方法

本研究建立一个蜂窝芯格三维切削模型。其中铣削刀具简化成为只有径向前角、轴向前角、径向后角和轴向后角的刀具模型。蜂窝芯格模型为正六边形，蜂窝壁厚0.11mm，蜂窝芯格边长6 mm，高10 mm，其中切削速度方向为刀具的直线运动方向，进给方向为蜂窝壁方向。本文铣削试验采用冰结夹具装夹方式，所以在蜂窝芯格与相邻芯格相连的六个节点处添加完全固定约束，整体采用四面体网格划分。在不同的仿真切削参数设置下，对高温合金蜂窝芯的材料去除机理进行了研究。并开展高速铣削实验，采用冰结夹持方式，通过设定不同的加工参数，探索了铣削参数、刀具类型和铣削方式对铣削过程中铣削力和加工损伤的影响。

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结果

分析发现，微小毛刺主要发生在切削深度较小，切削速度较低的试样中，切削速度越小，切削方向的铣削力越大，蜂窝壁残留未去除材料形成微小毛刺的几率就越高，其中1号试样，切削深度0.3mm，切削速度100 m/min，微小毛刺发生的频率最高，为60%。

翻边毛刺主要发生于大切削深度以及大进给量的试样，如3号试样，其切削深度为0.8mm，切削进给量为150 mm/min，均为正交实验中加工参数的最大值，该试样翻边毛刺的发生频率最高，为52.63%。

焊点拉脱在切削速度大，进给量小的加工参数下发生频率较高，由3.1节的分析结果可知，铣削速度对进给方向的铣削力影响作用很大，在铣削速度很大的情况下，进给方向会产生较大的铣削力，超过蜂窝壁焊点处的极限拉脱力，就会产生大量的焊点拉脱损伤，如8号试样，其切削速度为200m/min，进给量为50 mm/min，该试样焊点拉脱的发生频率最高，为87.5%。

蜂窝芯格变形缺陷受切削速度和切削深度的影响较为显著，进给量对其影响并不显著。较大的切削速度和切削深度会使得蜂窝芯材料在加工过程中产生较大的切深方向切削力，切深方向较大的切削力则会导致蜂窝芯格被压垮，产生芯格变形损伤，如2号试样的切削深度和切削速度都小于9号试样，其芯格变形发生频率为14.29%，而9号试样对应值的高达66.67%。

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结论

本文基于有限元仿真技术，建立了蜂窝芯格三维切削模型，探究了不同蜂窝壁切入角、进给量和切削速度下材料的去除机理。并开展铣削试验，探索了铣削参数、刀具类型和铣削方式对铣削过程中铣削力和加工损伤的影响。得到的主要结论如下：

(1)蜂窝壁切入角越小，切屑变形越严重，断屑越困难，材料受应力越大，残余未去除材料越多，蜂窝壁切入角小于90º时会发生蜂窝壁撕裂现象。当蜂窝壁切入角为90º时，切削力明显下降，蜂窝壁无明显弯曲变形，蜂窝壁切断面平整。蜂窝壁切入角为120º时，材料去除率较小，且蜂窝壁会发生卷边现象。随着每齿进给量增加，材料铣削力增大，芯格变形加剧。随着切削速度的增加，材料应力稍有减少。

(2)铣削参数中，影响铣削力的最显著的因子为铣削深度，其次为切削速度，相较而言，进给量的影响较小。对不同刀具而言，立式铣刀相对于其他刀具，切削力大小及其波动更小，加工更加稳定；对不同铣削方式而言，插铣方式会产生明显的轴向冲击力，从而导致芯格变形，侧铣方式则可以有效避免芯格变形损伤的产生。

(3)蜂窝芯材料加工过程中四种典型损伤：微小毛刺常发生于切削速度低的情况下；翻边毛刺常见于大切深、大进给的加工条件下；焊点拉脱常发生在切削速度高、进给量小的情况下；芯格变形常发生于大切深的情况下。切深方向较大的切削力会导致芯格变形损伤的产生，进给方向较大的切削力会导致焊点拉脱和翻边毛刺。

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前景与应用

高温合金蜂窝芯材料具有高比刚度、轻质和能量吸收特性好等优异性能，被视为下一代高超声速飞行器热防护结构极具潜力的材料。高速铣削是高温合金蜂窝芯零件成型过程中重要的减材制造工艺，在蜂窝芯材料高速铣削时，蜂窝芯材料面内刚度低且高温合金塑性好，较小的切削力就会使蜂窝壁产生较大的塑性变形，导致蜂窝芯加工精度较低、加工损伤难以控制，对后续焊接、装配等工序产生不利影响。研究成果为高温合金蜂窝芯低损伤高性能加工提供了理论依据和工艺技术储备，填补了国内研究空白。

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1.陈明，王呈栋，安庆龙著.《智能切削工艺与刀具》，武汉：华中科技大学出版社，2020年1月出版，ISBN 978-7-5680-5860-5.

2.陈明，徐锦泱，安庆龙著.《碳纤维复合材料与叠层结构切削加工理论及应用技术》，上海：上海科学技术出版社，2019年1月出版，ISBN 978-7-5478-4283-6/TB.9.

3.陈明，明伟伟，安庆龙编著.《民用飞机构件数控加工技术》，上海：上海交通大学出版社，ISBN 978-7-313-16295-3/V，2016年12月出版.

4.陈明，安庆龙，刘志强编著.《高速切削技术基础与应用》，上海：上海科学技术出版社，ISBN 978-7-5478-1300-3，2012年10月出版. 上海科技专著出版资金资助。

5.陈明，孙方宏，马玉平著.《金刚石涂层工具制备及其应用》，北京：科学出版社，ISBN 978－7-03-027191-4，2010年3月. 国家科学技术学术著作出版基金资助出版，“十一五”国家重点图书出版规划项目。

团队带头人简介

陈明，上海交通大学特聘教授，中国数控加工领域领军人物，中国刀协切削先进技术研究会副理事长兼秘书长，中国机械工业金属切削刀具技术协会常务理事、副理事长，教育部新世纪优秀人才，上海市领军人才计划。

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团队研究方向

• 高性能制造

• 先进制造工艺与装备

• 工业大数据及人工智能

• 超精密加工与精密测量

• 微纳米制造

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团队成果与特色

• 团队成果

• 团队特色（仅展示部分）

德国DMG公司DMU70V五轴数控加工中心

美国HURCO VMX42五轴数控加工中心

德国MAHO 600C四轴数控加工中心

沈阳第一机床厂ETC3650U数控车床

KENT平面磨床KGS-1020AH

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近两年团队发表文章

1. AN, Q., CHEN, J., MING, W., CHEN, M. Machining of SiC ceramic matrix composites: A review(2021) Chinese Journal of Aeronautics, 34 (4), pp. 540-567.
2. An, Q., Zhong, B., Wang, X., Zhang, H., Sun, X., Chen, M. Effects of drilling strategies for CFRP/Ti stacks on static mechanical property and fatigue behavior of open-hole CFRP laminates(2021) Journal of Manufacturing Processes, 64, pp. 409-420.
3. Dang, J., An, Q., Lian, G., Zuo, Z., Li, Y., Wang, H., Chen, M. Surface modification and its effect on the tensile and fatigue properties of 300M steel subjected to ultrasonic surface rolling process(2021) Surface and Coatings Technology, 422, 论文编号 127566, .
4. Chen, J., An, Q., Ming, W., Chen, M. Investigations on continuous-wave laser and pulsed laser induced controllable ablation of SiCf/SiC composites(2021) Journal of the European Ceramic Society, 41 (12), pp. 5835-5849.
5. Cai, C., An, Q., Ming, W., Chen, M. Modelling of machined surface topography and anisotropic texture direction considering stochastic tool grinding error and wear in peripheral milling(2021) Journal of Materials Processing Technology, 292, 论文编号 117065, .
6. Chen, J., An, Q., Zou, F., Yu, D., Chen, M. Analysis of low-frequency vibration-assisted bone drilling in reducing thermal injury(2021) Materials and Manufacturing Processes, 36 (1), pp. 27-38.
7. Gao, T., Zhang, Y., Li, C., Wang, Y., An, Q., Liu, B., Said, Z., Sharma, S. Grindability of carbon fiber reinforced polymer using CNT biological lubricant(2021) Scientific Reports, 11 (1), 论文编号 22535, .
8. Zou, F., Dang, J., Wang, X., Zhang, H., Sun, X., An, Q., Chen, M. Performance and mechanism evaluation during milling of CFRP laminates under cryogenic-based conditions(2021) Composite Structures, 277, 论文编号 114578, .
9. Li, J., Huang, Z., Liu, G., An, Q., Chen, M. An experimental and finite element investigation of chip separation criteria in metal cutting process(2021) International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 116 (11-12), pp. 3877-3889.
10. Dang, J., Zhang, H., An, Q., Lian, G., Li, Y., Wang, H., Chen, M. Surface integrity and wear behavior of 300M steel subjected to ultrasonic surface rolling process(2021) Surface and Coatings Technology, 421, 论文编号 127380, .

作 者：史兰宇

责任编辑：李 娜

责任校对：金 程

审 核：张 强

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