Nomex蜂窝材料超声切削刀具设计及其切削性能的研究进展

王奔; 尹宏刚; 宋畅; 宋搏; 王丹菲

doi:10.3969/j.issn.2095-1248.2025.05.001

沈阳航空航天大学学报 >

2025 , Vol. 42 >Issue 5: 1 - 11

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-1248.2025.05.001

本刊特稿

Nomex蜂窝材料超声切削刀具设计及其切削性能的研究进展

王奔 ,
尹宏刚 ,
宋畅 ,
宋搏 ,
王丹菲

展开

沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳 110136

王奔（1984—），男，山东济宁人，教授，博士，主要研究方向为复合材料、钛合金、高温合金等航空难加工材料的先进制造工艺关键技术，E-mail：wangben@sau.edu.cn。

收稿日期: 2024-12-16

修回日期: 2025-04-30

录用日期: 2025-05-07

网络出版日期: 2025-12-04

基金资助

辽宁省应用基础研究计划项目(2023JH2)

辽宁省应用基础研究计划项目(1013002427)

辽宁省国际合作项目(2024JH2)

辽宁省国际合作项目(101900028)

收起

Research progress on ultrasonic cutting tool design and cutting performance of Nomex honeycomb materials

Ben WANG ,
Honggang YIN ,
Chang SONG ,
Bo SONG ,
Danfei WANG

Expand

College of Mechanical and Electrical Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China

Received date: 2024-12-16

Revised date: 2025-04-30

Accepted date: 2025-05-07

Online published: 2025-12-04

Fold

摘要

Nomex蜂窝材料因其低密度、高比强度和高比刚度等特点，广泛应用于船舶、高铁、航空航天等领域，但蜂窝结构的非均质、薄壁、脆性等特征使其在加工过程易产生撕裂、压溃等问题。国内外学者利用超声加工技术切削力小、加工表面质量高等优势来解决Nomex蜂窝材料加工的难题，并开展了广泛且深入的研究。然而，相较于普通加工，高质高效的超声加工过程中产生的高频振动、周期性冲击对刀具性能与寿命提出了更高的要求。因此，围绕Nomex蜂窝材料加工过程中刀具材料选择、刀具设计、运动学分析、切削力和切削热模型建立、加工表面形貌分析等方面，总结了超声切削Nomex蜂窝材料的加工机理、切削特性及超声刀具设计的研究现状，提出了超声切削Nomex蜂窝材料的未来研究重点与发展趋势，为进一步研究超声刀具在切削加工的使役性能与加工质量提供参考。

关键词： 超声切削刀具; Nomex蜂窝材料; 运动学分析; 切削性能

本文引用格式

王奔 , 尹宏刚 , 宋畅 , 宋搏 , 王丹菲 . Nomex蜂窝材料超声切削刀具设计及其切削性能的研究进展[J]. 沈阳航空航天大学学报, 2025 , 42(5) : 1 -11 . DOI: 10.3969/j.issn.2095-1248.2025.05.001

Abstract

Nomex honeycomb materials are widely used in marine，high-speed rail，aerospace and other fields because of the material’s low density，high specific strength and high specific stiffness. However，the non-homogeneous，thin-walled and brittle characteristics of honeycomb structures make them prone to tearing，crushing and other defects during processing. Therefore，scholars both in China and abroad have used ultrasonic machining technology to solve the problem of Nomex honeycomb material processing with the advantages of small cutting force and high surface quality，which have carried out extensive and in-depth research. However，compared with ordinary machining，high-frequency vibration and periodic impact generated in high-quality and efficient ultrasonic machining process put forward higher requirements for tool performance and life. Therefore， focused on tool material selection， tool design， kinematic analysis， cutting force and cutting heat modeling， and surface topography analysis during machining of Nomex honeycomb materials. The research status of machining mechanism，cutting characteristics and ultrasonic tool design for ultrasonic cutting of Nomex honeycomb materials were summarized. The future research and development trend of ultrasonic cutting Nomex honeycomb materials were put forward， which provided a reference for further research on the service performance and processing quality of ultrasonic cutting tools in cutting.

Key words： ultrasonic cutting tool; Nomex honeycomb materials; kinematics analysis; cutting performance

[an error occurred while processing this directive]

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

[1]	杜善义.先进复合材料与航空航天［J］.复合材料学报，2007，24（1）：1-12.

[2]	罗玉清，宋欢，陆志远，等.芳纶蜂窝复合材料的制备及性能研究［J］.高科技纤维与应用，2018，43（4）：5-11.

[3]	许超，袁信满，关艳英，等.超声加工技术的应用及发展趋势［J］.金属加工（冷加工），2022，62（9）：1-6.

[4]	王文杰.超声切割Nomex蜂窝芯材料切割力建模与刀具设计研究［D］.沈阳：东北大学，2018.

[5]	冯平法，王健健，张建富，等.硬脆材料旋转超声加工技术的研究现状及展望［J］.机械工程学报，2017，53（19）：3-21.

[6]	Richards D S， Lucas M.Ultrasonically assisted cutting blades for large bone surgeries［J］.Procee-dings of Meetings on Acoustics，2018，32（1）：030020.

[7]	贾瑞修，刘冲，李经民，等.刀具尺寸对超声切割系统振动性能影响的研究［J］.机电技术，2020（4）：20-23.

[8]	吴鑫.Nomex蜂窝材料超声切割直刃刀具设计与性能研究［D］.大连：大连理工大学，2016.

[9]	Yuan X M， Zhang K X， Zha H T，et al.Enabling thin-edged part machining of Nomex honeycomb composites via optimizing variable angle of disc cutters［J］.Materials，2023，16（16）：5611.

[10]	方亮.Nomex蜂窝材料超声铣削圆形刀研制［D］.杭州：杭州电子科技大学，2013.

[11]	Cardoni A， Lucas M， Cartmell M，et al.A novel multiple blade ultrasonic cutting device［J］.Ultrasonics，2004，42（1/9）：69-74.

[12]	Xiang D H， Wu B F， Yao Y L，et al.Ultrasonic vibration assisted cutting of Nomex honeycomb core materials［J］.International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2019，20（1）：27-36.

[13]	Du Y S， Lu M M， Lin J Q，et al.Experimental and simulation study of ultrasonic elliptical vibration cutting SiCp/Al composites：chip formation and surface integrity study［J］.Journal of Materials Research and Technology，2023，22（12）：1595-1609.

[14]	Sun Y J， Gong H， Gui S Y，et al.Towards understanding the cutting temperature in ultrasonic vibration-assisted drilling based on the dynamic contact characteristics between the cutting edge and workpiece［J］.Ultrasonics，2023，135：107131.

[15]	Niu Q L， Rong J， Jing L，et al.Study on force-thermal characteristics and cutting performance of titanium alloy milled by ultrasonic vibration and minimum quantity lubrication［J］.Journal of Manufacturing Processes，2023，95：115-130.

[16]	Guo J L， Sun J S， Du H H，et al.Cutting force reduction mechanism in ultrasonic cutting of aramid honeycomb［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2024，273：109317.

[17]	孟倩.圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯表面质量研究［D］.大连：大连理工大学，2020.

[18]	Xiang D H， Wu B F， Yao Y L，et al.Ultrasonic longitudinal-torsional vibration-assisted cutting of Nomex^® honeycomb-core composites［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2019，100（5）：1521-1530.

[19]	Kang D， Zou P， Wu H，et al.Study on ultrasonic vibration-assisted cutting of Nomex honeycomb cores［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2019，104（1）：979-992.

[20]	Ji H W， Yang F， Wang Z B，et al.Research on wear state identification and Life prediction technology of ultrasonic straight-edge knife［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2023，127（9）：4225-4235.

[21]	Hu X P， Yu B H， Li X Y，et al.Research on cutting force model of triangular blade for ultrasonic assisted cutting honeycomb composites［J］.Procedia CIRP，2017，66：159-163.

[22]	王毅丹，王宣平，康仁科，等.直刃尖刀超声辅助切割Nomex蜂窝芯切削力分析［J］.机械工程学报，2017，53（19）：73-82.

[23]	马付建，王际帆，张生芳，等.刀具参数对Nomex蜂窝芯超声切削性能影响分析［J］.中国工程机械学报，2016，14（4）：316-322.

[24]	张迅，董志刚，王毅丹，等.Nomex蜂窝芯直刃尖刀超声切割表面微观形貌特征［J］.机械工程学报，2017，53（19）：90-99.

[25]	Qin Y， Kang R K， Dong Z G，et al.Burr removal from measurement data of honeycomb core surface based on dimensionality reduction and regression analysis［J］.Measurement Science and Technology，2018，29（11）：115010.

[26]	Yu B H， Yao S F， Wu X，et al.Cell wall fracture mechanism in ultrasonic-assisted cutting of honeycomb materials［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2022，121（7）：5067-5078.

[27]	Sun J S， Wang Y D， Zhou P，et al.Equivalent mechanical model of resin-coated aramid paper of Nomex honeycomb［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2023，240：107935.

[28]	Wang Y D， Kang R K， Dong Z G，et al.A novel method of blade-inclined ultrasonic cutting Nomex honeycomb core with straight blade［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2021，143（4）：041012.

[29]	Xu J， Wang C X， Feng P F，et al.Meso-scale cracks initiation of Nomex honeycomb composites in orthogonal cutting with a straight blade cutter［J］.Composites Science and Technology，2023，233：109914.

[30]	Jiang J M， Liu Z Q.Formation mechanism of tea-ring defects in machining Nomex honeycomb core［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2021，112（11）：3167-3176.

[31]	Zarrouk T， Nouari M， Salhi J E，et al.Numerical simulation of rotary ultrasonic machining of the Nomex honeycomb composite structure［J］.Machines，2024，12（2）：137.

[32]	Guo Z F， Liu X， Yao S F，et al.Stability analysis and experimental research on ultrasonic cutting of wave-absorbing honeycomb material with disc cutter［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2022，120（1）：1373-1383.

[33]	Cao W J， Zha J， Chen Y L.Cutting force prediction and experiment verification of paper honeycomb materials by ultrasonic vibration-assisted machi-ning［J］.Applied Sciences，2020，10（13）：4676.

[34]	Wang Y D， Kang R K， Qin Y，et al.Effects of inclination angles of disc cutter on machining quality of Nomex honeycomb core in ultrasonic cutting［J］.Frontiers of Mechanical Engineering，2021，16（2）：285-297.

[35]	Ahmad S， Zhang J F， Feng P F，et al.Processing technologies for Nomex honeycomb composites （NHCs）：a critical review［J］.Composite Structures，2020，250：112545.

[36]	Zarrouk T， Nouari M， Salhi J E.Numerical study on rotary ultrasonic machining （RUM） characte-ristics of Nomex honeycomb composites （NHCs） by UCSB cutting tool［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2024，132（11）：5351-5366.

[37]	Zha H T， Shang W J， Xu J，et al.Tool wear characteristics and strengthening method of the disc cutter for Nomex honeycomb composites machining with ultrasonic assistance［J］.Technologies，2022，10（6）：132.

[38]	袁信满，赵清泉，鄢旭东，等.圆盘锯齿刀超声切削Nomex蜂窝芯力热分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2021，（8）：27-30，35.

[39]	吴胜游，胡小平，孔倩，等．蜂窝复合材料圆盘刀超声切削研究［J］．杭州电子科技大学学报（自然科学版），2015，35（5）：44-47．

[40]	张生芳，王际帆，马付建，等.刀具参数对超声切削蜂窝芯切削力及温度影响仿真分析［J］.大连交通大学学报，2017，38（1）：57-61.

[41]	Xu J， Yue Q Z， Zha H T，et al.Wear reduction by toughness enhancement of disc tool in Nomex ho-neycomb composites machining［J］.Tribology International，2023，185：108475.

[42]	Li L L， Qin Y， Kang R K，et al.Study on characte-ristics of tool wear and breakage of ultrasonic cutting Nomex honeycomb core with the disc cutter［J］.Applied Sciences，2023，13（14）：8168.

[43]	Mughal K H， Jamil M F， Qureshi M A M，et al.Investigation of rotary ultrasonic vibration assisted machining of Nomex honeycomb composite structures［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2023，129（11）：5541-5560.

Options

文章导航