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“工业母机—复合材料加工”专题 | 湖南科技大学李树健教授团队:加工参数对B4C/6061Al复合材料铣削性能的影响

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专题文章(三)


作者简介

李树健

湖南科技大学

教授、博导

  • 湖南科技大学高层次人才

  • 获湖南省教学成果三等奖1项、湖南省仪器仪表学会二等奖2项

  • 长期从事难加工材料高质切削加工技术、先进复合材料结构设计和一体化成型工艺等方面的研究工作

粱刘杰, 李炽, 杨彭, 唐敏成, 许袁鑫, 李树健. 加工参数对B4C/6061Al复合材料铣削性能的影响[J]. 制造技术与机床, 2026(5): 32-39. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.003

粱刘杰 李炽 杨彭 唐敏成 许袁鑫 李树健

(湖南科技大学机电工程学院)

研究背景

B₄C/6061Al复合材料以铝合金为基体、碳化硼颗粒为增强相,兼具高比强度、高硬度及优异的中子吸收性能,在中子反应堆、乏核燃料储存等核能领域具有重要应用前景。然而,由于B₄C/6061Al中的硬脆B₄C颗粒与软韧铝合金基体混杂共存,在铣削加工时刀具刃口与异质组成相之间发生剧烈的交替摩擦作用,易引发刀具磨损加剧、加工表面质量难以控制等问题。团队前期研究虽初步揭示了材料去除行为和刀具磨损机制,但针对加工工艺参数对铣削性能的系统性认识尚不完善。因此,开展加工参数对B₄C/6061Al复合材料铣削性能的影响研究,对于优化其加工工艺、提升加工质量具有重要的理论与工程意义。

研究内容

本文通过开展B4C/6061Al铣削加工实验,系统分析了每齿进给量fz、轴向切深ap和主轴转速n对其铣削力、铣削温度、表面粗糙度、切屑特征和刀具磨损的影响规律。主要内容如下:

(1)铣削力和铣削温度分析:通过测力刀柄和热成像仪分别采集不同加工参数下的铣削力(x向、y向)时变信号和铣削温度云图,分析了每齿进给量、轴向切深和主轴转速对铣削力(平均铣削力、最大铣削力)及铣削温度(升温速率、峰值温度、热影响区分布)的影响。

(2)表面粗糙度和切屑特征分析:采用白光干涉仪测量不同参数下铣削表面的平均表面粗糙度(Sa)和最大表面粗糙度(Sz),并使用超景深显微镜观测切屑的形貌、厚度和宽度,研究了加工参数对表面微观形貌及切屑形成特征(卷曲状、尺寸变化、断裂平整性)的影响。

(3)刀具磨损分析:利用超景深显微镜观察不同参数下刀具后刀面的磨损形貌特征(涂层脱落、微崩刃、黏结、划痕等),并测量了后刀面磨损带宽度(VB),分析了加工参数对刀具磨粒磨损、黏结磨损及其磨损程度的影响。


结语

本文通过铣削实验研究了加工工艺参数对B4C/6061Al复合材料切削特性的影响,相关结论如下:

(1) 随每齿进给量和轴向切深增加,平均切削力呈增大趋势;随主轴转速增加,平均切削力呈减小趋势。但在fz=0.03 mm/z时,平均切削力出现局部下降,其中X和Y向的切削分力相较fz=0.02 mm/z时分别减小了10.5%和5.5%。

(2) 铣削温度随每齿进给量增大而降低,而轴向切深与主轴转速的增加均会促使温度升高。当转速从2 000 r/min增至5 000 r/min时,最高温度增幅达到了118.8%。

(3) 增大每齿进给量主要通过增加切屑厚度促进材料的脆性断裂,进而降低表面粗糙度;过大轴向切深会加宽切屑尺寸,易引发排屑不畅而恶化表面质量;提高主轴转速可有效减小切屑宽度并改善其断裂形态,从而显著提升表面质量。

(4) TiAlN涂层硬质合金铣刀的磨损失效形式主要为磨粒磨损和粘结磨损,其后刀面磨损带宽度随每齿进给量增加而减小,随轴向切深和转速增加而增大。

近年团队发表文章

[1] Li SJ, Long XK, Chen R, et al. Microwave-ultrasound synergistic curing of CFRP laminates: simulation and experiment[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2025, 153: 165-184.

[2] Dai L, Li S, Chen Y, et al. Thrust force prediction model coupled with the influence of material strain rate induced by cutting speed in CFRP drilling[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2024, 131: 1594-1610.

[3] Li S J, Teng HW, Dai LY, et al. Comprehensive prediction model of drilling temperature of UD-CFRP laminates considering the combined action of main cutting edge and chisel edge[J]. Composite Structures, 2023, 313: 116899.

[4] Shujian Li, Zheng Cao, Rong Chen, et al. Strengthening the bonding interfaces of hybrid titanium carbon laminates by bionic micro texture and carbon nanotube pinning[J]. Composites Science and Technology, 2023, 232: 109865.

[5] Shujian Li, Longyu Dai, Changping Li, et al. Prediction model of chisel edge thrust force and material damage mechanism for interlaminar-direction drilling of UD-CFRP composite laminates[J]. Composite Structures, 2022, 298: 116023.

[6] Shujian Li, Shi Zou, Longyu Dai, et al. Damage mechanism of carbon fiber reinforced plastic pipe based on reverse and forward curvature drilling[J]. Composite Structures, 2022, 292: 115700.

[7] Li H Y, Yang P, Li S J, et al. Simulation and experimental study of bending mechanical properties and damage evolution of carbon/glass hybrid fiber reinforced titanium alloy laminates at room temperature, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2026, 200: 109312.

[8] Li H Y, Cao Z, Li S J, et al. Multi-physics field coupling modeling and simulation to study the stress evolution during HTCLS curing process[J]. Polymer Composites, 2024, 45: 11591-11604.

[9] Chen R, Li S J, Zhou Y C, et al. Damage formation and evolution mechanisms in drilling CFRP with prefabricated delamination defects: Simulation and experimentation[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 26: 6994-7011.

[10] 李树健, 李晴晴, 杨彭, 等. CFRP层间钻削出口损伤机理及多参量优化设计[J]. 机械工程学报, 2025(19): 430-442.

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