高孔率泡沫金属的孔结构保形铣削加工研究丨JME文章推荐
泡沫金属是一种在金属基体中形成无数三维空间结构的功能材料，由于其优良的物理特性，在传热传质，吸声减噪以及电磁屏蔽方面有着广泛的应用，随着泡沫金属材料应用领域的不断增多，对其多样化的设计、形状和尺寸精度要求也随之提高，而传统铣削方法不可避免造成泡沫金属孔结构破坏从而失去原有的优良特性。因此，探索泡沫金属的新加工方法，避免孔隙结构的变形的研究工作具有十分重要的意义。
厦门大学的周伟、刘阳旭、褚旭阳和哈尔滨工业大学的陈露《机械工程学报》2020年第1期发表了《高孔率泡沫金属的孔结构保形铣削加工研究》一文，对本文内容感兴趣的朋友可速戳屏幕下方的“阅读原文”，可免费获取原文。
本文提出了利用填充材料进行泡沫金属固化后再进行保形铣削加工的新方法，通过设计填充模结构，并在此基础上进行填充材料加热至熔化，随后利用多孔材料渗透性能，在多孔结构内吸入填充材料，冷却填充材料使多孔材料孔结构得到固化，加强孔结构刚度与强度。随后通过填充不同的材料进行铣削加工实验，借助扫描电镜观察，孔径统计分析、通气性实验测试，提出了多孔材料孔结构保形率的加工性能指标，确定了具有最佳保形效果的填充材料类型，并通过改变不同铣削速度，刀具转速从而探讨了铣削加工参数对表面质量的影响。最后通过中心组合实验建立了孔结构尺寸、透气性与铣削加工参数之间的二次回归方程，由此可以预测不同加工参数下的保形质量，同时获得了最优的铣削加工参数。
通过不同填充材料、不同主轴转速以及进给速度进行了铣削加工实验，借助SEM表面形貌定量观测，孔结构尺寸统计和透气性测的测试评价其保形质量，研究结果表面以氢化松香-硬脂酸钠(4:1)为佳填充材料，其保形效果最好；同时保形率与透气性随刀具转速、进给速度的增加呈现出先增大后减小的趋势，其中转速对表面质量的影响要比进给速度对表面质量的影响更显著。在转速为300 r/min，进给速度为160 mm/min时，表现出最好的保形效果。
选用优化的填充材料填充进行泡沫金属的保形铣削加工的中心组合实验，根据测试结果建立二次回归方程，得到转速为311 r/min，进给速度为165 mm/min为优化的铣削加工参数。使用优化的加工参数对泡沫铜进行保形铣削加工的验证实验，其结果为：孔径保形率为96.4%，嵴保形率为93.7%，流量值为7.36 L/min，跟激光加工的泡沫铜的流量值相差不大。因此，选用优化填充材料，并以优化加工参数进行泡沫金属铣削加工具有较好的孔结构完整性与透气性，表明该种加工方法可以实现较好的孔结构保效果。
以氢化松香与硬质酸纳质量比4:1的混合材料填充泡沫金属，对泡沫金属孔结构进行固化，可以有效提高其强度，在转速为311r/min、进给速度165mm/min的加工参数下进行铣削加工，可以快速高效的加工复杂形貌并避免孔结构破坏，从而实现泡沫金属铣削加工。
周伟, 刘阳旭, 褚旭阳, 陈露. 高孔率泡沫金属的孔结构保形铣削加工研究[J].机械工程学报, 2020,56(1): 213-222.
ZHOU Wei, LIU Yangxu, CHU Xuyang, CHEN Lu.Investigation of Milling Process of Foam Metal with High Porosity for PoreStructure Protection[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(1):213-222.
周伟，工学博士，厦门大学教授（破格晋升）、博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。目前担任厦门大学机电工程系系主任、福建省精密制造业技术发开基地主任、福建省微纳制造工程技术研究中心副主任、福建省机械工程学会副秘书长。长期从事于精密加工与成形技术、新能源与节能装备、生物医疗器械等方面的研究工作。迄今为止，已在《Applied Energy》、《EnergyConversion and Management》等期刊上发表学术论文共计120篇，其中第一或通讯作者66篇（包含SCI检索48篇、入选高被引论文1篇、期刊封面论文2篇）。申请专利68项，授权发明专利21项，4项专利实施转让。已主持包括国家自然科学基金优秀青年科学基金/面上/青年/应急管理项目、十三五装备预研共用/领域基金项目、福建省/广东省杰出青年科学基金、厦门市科技计划项目、企事业单位委托项目等30余项。曾获得广东省优秀博士学位论文奖、广东省自然科学二等奖、中国有色金属学会科技论文一等奖、第十四届切削与先进制造技术学术会议优秀论文奖等。已入选福建省新世纪优秀人才计划、福建省特殊支持“双百计划”青年拔尖创新人才、厦门市重点引进人才等。担任国家自然科学基金面上/青年项目、青年长江学者、中国博士后基金项目等通讯评审专家。国际期刊《Advances in Materials Science andEngineering》 (SCI检索)国际编委。国际期刊《NanoEnergy》、《ACS Applied Materials &Interfaces》、《Applied Energy》、《InternationalJournal of Hydrogen Energy》等多个期刊的特约审稿人。
在研项目及研究工作进展情况
周伟教授研究团队在国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、十三五装备预研共用技术项目、福建省杰出青年科学基金项目的支持下，围绕制氢微反应器结构设计、多孔反应载体结构设计与制造、微反应器性能优化等开展深入研究工作，在研项目及获得成果如下：
在研项目1：国家自然科学基金优秀青年科学基金项目：功能微结构形性调控与精密制造。
为提高制氢微反应器的产氢效率，基于反应物浓度分布在多孔反应载体表面设计出新型微通道结构，针对性地提出了多孔反应载体孔隙结构的保形铣削加工新方法，从而解决多孔反应载体加工过程中孔隙结构容易发生变形/破坏的难题，实现具有孔槽复合微结构特征的多孔反应载体的高效加工成形；通过铣削加工过程中的切削力、热、微观变形分析和有限元分析，揭示出孔槽复合多孔反应载体的保形铣削加工过程中的材料去除机制，并优化铣削加工工艺参数；建立基于多孔反应载体结构制氢微反应器的催化反应模型，通过实验和仿真技术相互结合方式，阐释孔槽复合多孔反应载体的表面催化层传质行为和孔隙结构内部强化传热传质机理，最终实现由功能需求主动设计孔槽复合多孔反应载体的技术体系，为高效制氢微反应器的设计与加工提供相关的理论支持和新技术方法，如图1所示。
图1 孔槽复合结构反应载体保形铣削加工及性能研究（研究工作正在进行）
图2 研制的以甲醇为燃料的高效制氢系统
编辑：李楠 编校：张强
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