2013年, 第49卷, 第21期　
刊出日期：2013-11-05

  

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  智能机床发展现状与技术体系框架

  鄢萍;阎春平;刘飞;何龙;蒋林

  . 2013, 49(21): 1-10.

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  智能机床成为机床装备发展的趋势。在介绍国内外智能机床的研究现状的基础上，分析目前智能机床技术研究的三个问题，提出智能机床的狭义和广义定义；给出智能机床的包括人计机的协同性、整体与局部的协调性、智能的恰当性与无止性、自学习及其能力持续提高性、自治与集中的统一性、结构的开放性和可扩展性、制造和加工的绿色性、智能的贯穿性八个智能技术特征；阐述包括以人为中心的人计机动态交互功能、三个基本功能——执行智能功能、准备智能功能、维护智能功能的智能功能特征，以及功能之间的相互关系；建立八个理论与技术的智能机床技术理论框架，包括人计机一体化融合理论与技术、多源信息的感知理论与技术、智能决策理论与技术、智能执行理论与技术、智能维护理论与技术、智能机床综合能力评价理论与技术、智能机床标准化技术、智能机床支撑技术等，形成了智能机床的技术体系框架，同时指出上述内容将随着技术的进步和应用的深入不断充实和丰富。
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  机床整机动刚度薄弱环节辨识与优化方法研究

  于长亮;张辉;王仁彻;郭垒

  . 2013, 49(21): 11-17.

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  提出一种机床整机动态分析指导薄弱部件改进的优化思路，即通过对机床整机的动刚度进行分析，辨识出不同激振频率下整机中的薄弱环节，明确优化目标，提高优化效率。利用ANSYS Workbench软件对一种卧式加工中心进行谐响应分析和模态分析，辨识出立柱是整机x向和z向动刚度的最薄弱环节。以立柱结构为优化对象，运用灵敏度分析法计算出立柱质量和固有频率对各个壁板的灵敏度。以立柱固有频率为优化目标，立柱质量为约束条件，建立优化方程。利用Matlab软件求解该方程，得到立柱的优化结果。通过谐响应分析得到优化后机床整机的动刚度，结果表明，优化后立柱在质量不增加的情况下，整机在x向和z向的最大共振峰值降低约6.5%，相应的共振频率提高约10%。
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  高速主轴系统切削稳定性预测及影响因素分析

  汪博;孙伟;闻邦椿

  . 2013, 49(21): 18-24.

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  高速主轴系统切削稳定性直接影响产品的表面加工精度和切削系统的使用寿命，是评价高速主轴系统性能优劣的重要因素，而研究影响切削稳定性的因素并制定提高稳定性的合理途径同样也受到关注。提出从稳定性评价准则及系统频响函数的不同求解方法入手，分析无条件稳定区和有条件稳定区的影响因素，总结出系统所受激励、主轴转速及系统结构是影响切削稳定性的重要因素。以德国GMN高速主轴系统为例，在采用5自由度轴承受力与变形关系模型模拟角接触球轴承和分布式弹簧模型模拟主轴-刀柄-刀具结合部的基础上，建立完整高速主轴系统通用有限元模型；利用三维稳定性叶瓣图、极限切削深度和叶瓣交点随参数的变化曲线表征切削力幅值、转速及阻尼比等参数对切削稳定性的影响规律，为优化加工工艺、提高系统切削稳定性提供理论依据。
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  机床滚珠导轨中圆柱面-球面结合面静特性分析及试验研究

  刘耀;黄玉美

  . 2013, 49(21): 25-30.

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  机床特性主要依赖于零部件刚度及结合部刚度组成的系统刚度特性，滚珠导轨结合部刚度是系统刚度的主要组成部分。滚珠导轨副由若干个滑块和轨道组成的滚珠导轨单元结合部构成，一个滚珠导轨单元结合部包括多列、多个圆柱面-球面结合面。基于单位面积结合面基础特性参数，提出一种直线滚珠导轨圆柱面-球面结合面静特性解析方法，并通过实例计算与加载试验验证比较，证明本文方法的正确性，为圆柱面-球面结合面的设计分析提供支持。
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  基于扰动补偿算法的拉床主溜板双伺服同步驱动控制策略

  鲁文其;胡旭东;史伟民;林绿高;邓雄飞

  . 2013, 49(21): 31-37.

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  阐述电伺服拉床的机电一体化系统结构，介绍拉床工作台的双伺服同步驱动系统及双滚珠丝杠机械传动机构。为提高拉削过程负载断续变化时主溜板同步运行的精度，从提高单轴伺服系统本身抑制负载扰动性能的角度出发，设计基于扰动辨识和补偿机理的自校正算法，重点分析其原理。基于该自校正算法设计并实现了双轴同步驱动的控制策略，该控制策略具有简单可靠易实现的特点。以一台20 t的伺服拉床为研究对象，分别在两主溜板耦合和不耦合且受力不平衡的情况下对控制策略的同步性能进行了多种吨位的加工测试，试验结果显示该扰动补偿算法是有效的，基于该扰动算法的同步控制策略具有很好的同步精度，这给双滚珠丝杠伺服同步控制系统的应用提供了很好的理论参考和试验数据。
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  类回转体曲面数控加工刀位轨迹规划

  蔡永林;赵明波;王恒

  . 2013, 49(21): 38-43.

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  针对类回转体曲面高速进给数控加工，提出螺旋线驱动方式下圆环刀具加工轨迹的规划方法。构造螺旋线作为类回转体曲面的导动线，根据曲面上已知接触点轨迹的切线方向估算后续导动点对应的初始接触点。计算初始接触点处圆环刀具的刀心位置，再计算初始刀心位置与后续导动点对应的目标刀位点分别在圆周方向以及轴向的距离差值，利用相邻刀位点与相邻接触点存在的准相似关系，得到接近目标接触点的搜索方向和步长，经过迭代得到目标接触点和刀位点。在分析接触点处曲面曲率和圆环刀曲率的基础上，给出圆环刀加工误差计算方法。将所提出的算法用于鞋楦的五轴数控轨迹规划中，计算结果表明，该算法搜索效率较高，具有理论和实际应用价值，并通过鞋楦的五轴数控加工试验验证了算法的有效性。
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  大型射电望远镜天线副面调整机构完整刚度模型及微位移分析

  姚建涛;李立建;窦玉超;武国旺;曾达幸;赵永生

  . 2013, 49(21): 44-53.

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  基于并联机构的影响系数法和虚功原理构建天线副面调整机构的完整刚度模型。该模型综合考虑主被动关节弹性变形和外力/力矩的影响，且给出二阶影响系数矩阵具体的转置形式。构造单分支支链的轴向线刚度模型，考虑虎克铰和球铰对分支杆轴向刚度的影响。通过引入变动参数求解得到副面调整机构在定平台可动时的完整刚度矩阵，充分解决副面调整机构在空间任意位姿下刚度矩阵的计算问题。通过最简刚度模型、本体刚度模型和整体刚度模型三者对比，绘制副面调整机构在初始位姿下副面调整机构动平台中心随变动参数变化时的微位移曲线，并通过有限元软件验证了结果的正确性。研究内容为大型射电望远镜天线副面调整机构的结构设计与精度补偿奠定重要的理论基础。
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  鲹科模式机器鱼自主游动的水动力特性研究

  夏丹;陈维山;伍志军;徐丰羽;刘磊

  . 2013, 49(21): 54-61.

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  采用数值模拟方法对鲹科模式机器鱼的自主游动机理进行研究。通过求解三维机器鱼自静止状态起动，逐渐加速并最终收敛到稳态游动的动力学过程，探讨自主游动过程中运动学和力能学参数的时间历程规律，并通过改变机器鱼的运动学参数来研究其自主游动的水动力性能，揭示力学机理和流场结构。结果表明，机器鱼自主游动过程中，速度和力呈现明显的非定常变化，在鱼体开始摆动并逐渐加速的过程中，作用在鱼体上的力和力矩均不平衡，因此存在一定的平动和转动加速度，当流场趋于稳定时，鱼体所受的力和力矩达到平衡，并获得一定的前向稳态游动速度。进一步在稳态游动的基础上，研究摆动频率和尾部摆幅对机器鱼水动力参数的影响，提取的三维流场结构清晰地反映出二者对机器鱼稳态游动的影响机制。研究结果对于获得更为合理的三维机器鱼的稳态游动机理，开发新型原理样机具有重要意义。
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  2-UPR-SPR并联机构转轴分析

  李秦川;柴馨雪;陈巧红;黄真

  . 2013, 49(21): 62-69.

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  两转一移(2R1T)并联机构转动自由度的轴线包括瞬时转轴和连续转轴。转轴的性质和在空间的分布对2R1T并联机构的轨迹规划和运动学标定等具有重要意义，尤其是在对末端姿态能力要求高的应用如五轴数控加工中更为重要。五自由度Exechon混联加工中心被广泛应用于高端制造业，其由属于2R1T并联机构的2-UPR-SPR并联机构和RR串联机构组成。运用螺旋理论，建立2-UPR-SPR并联机构在初始位形、动平台发生单自由度连续转动后的位形、动平台发生两自由度连续转动后位形下的各分支运动螺旋系和约束螺旋系。根据刚体转轴与约束力作用的关系，确定了动平台的两条连续转轴，这两条转轴的方向与机构位形相关，且分别过参考坐标系原点和球铰中心点。
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  基于拓扑结构分析的求解6-SPS并联机构位置正解的研究

  沈惠平;尹洪波;王振;黄涛;李菊;邓嘉鸣;杨廷力

  . 2013, 49(21): 70-80.

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  建立机构拓扑结构复杂性和位置正解求解难易性的关系，提出按机构耦合度k大小来分类求解并联机构位置正解全部实数解的数值法，可使正解问题求解容易，具体内容包括：对39种不同构型的6-SPS并联机构，按6种基本机型、33种衍生机型的拓扑结构及其耦合度值分为k=0、1、2、3四类，分析得到了动平台边数、支链类型影响耦合度k值大小的规律。对不同k值的并联机构的位置正解求解指明明确的求解方向，即：对k=0的机构可容易地直接求解其解析正解；对k>0的机构，通过虚设k个SPS型支链，使之转化为k=0的虚拟并联机构，并基于杆长条件建立k个仅含一个变量的杆长相容性方程，再采用k维搜索法求出实数解。以六自由度球面Stewart机构为例，给出了求解耦合度k=1的任意6-DOF SPS并联机构位置正解全部实数解一维搜索法的具体步骤。这种基于拓扑结构分析的6-SPS并联机构位置正解求解的数值法，求解原理简单，计算量小，且具有一般意义。
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  咽颌运动模式仿生胸鳍的建模及试验研究

  刘强;龚成龙;纪志成

  . 2013, 49(21): 81-88.

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  从咽颌运动模式鱼类胸鳍的骨骼结构和神经肌肉控制机理出发，充分发挥导边鳍条和后缘边鳍条的引导作用，设计一套新型的柔性仿生胸鳍，建立此仿生胸鳍的样机及其运动学和动力学模型。并对仿生胸鳍的推进运动进行了仿真分析和试验研究。将上述仿生胸鳍推进运动的仿真结果、试验结果以及实际胸鳍推进运动的观测结果进行了比较研究可以看出，所建立的仿生胸鳍数学模型是合理、有效的，能够较好地仿真仿生胸鳍的推进运动，同时从中也可以看出，所建立的胸鳍仿生机构能够较好地模拟鱼类胸鳍的推进运动。
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  环境胁迫响应的潜在故障适应性修复方法

  龚勋;冯毅雄;谭建荣;郏维强

  . 2013, 49(21): 89-99.

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  工业生产系统在运行过程中不可避免地要面临各种环境因素的随机波动，由此会引起系统性能波动而造成设备故障发生。以运行阶段系统所处的环境因素为研究对象，对环境因子和环境敏感系统进行说明，并对温度、湿度、振动等环境胁迫因子对设备系统性能的影响进行分析。针对环境敏感系统提出环境胁迫响应模型：在环境胁迫条件下，系统性能下降处于潜在故障状态时，利用传感器对环境因子进行监测，并根据监测数据构建转录因子阵列和状态酶阵列，转录因子启动环境修复方案并配合状态酶调控其运行程度进行环境适应性修复，避免潜在故障持续造成功能故障，保障系统的正常运行。通过对空分流程进行模拟，验证了该模型方法的有效性。
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  典型火炮静刚度分析与改进设计

  张永存;韩亚鹏;刘书田

  . 2013, 49(21): 100-107.

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  炮架是火炮的支撑部件，其静刚度对火炮的射击精度有重要影响。基于典型火炮结构的相似性，首先建立适用于典型火炮炮架的简化力学模型，提出检验典型炮架静刚度的评估方法。根据火炮力学模型建立典型火炮初始设计的有限元模型，进行多工况下的静力计算，获得了炮架的刚度性能、位移云图及应力云图，讨论了火炮炮架在不同工况下的变形特征和薄弱环节；其次，根据炮架的变形特征和薄弱环节，采用“改进-评估-再改进”的不断改进优化的策略，最终给出一个较为满意的设计方案。与原设计方案相比，新方案在重量略有增加的条件下，刚度有较大幅度提高，对火炮性能提升有很明显的作用。该研究对火炮炮架的静刚度分析与设计具有一定的参考意义。
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  依据各向异性分形几何理论的固定结合部法向接触力学模型

  田红亮;钟先友;秦红玲;赵春华;方子帆;朱大林;陈保家;张发军

  . 2013, 49(21): 108-122.

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  基于各向异性分形几何理论，考虑微凸体变形特点、表面微凸体承受法向载荷的连续性和光滑性原理，以及区分微凸体分别处于弹性、塑性变形时的一个微凸体实际微接触面积，建立固定结合部法向接触力学模型。采用二变量Weierstrass-Mandelbrot函数模拟各向异性三维分形轮廓表面。推导出划分弹塑性区域的临界弹性变形微接触截面积、结合部量纲一法向载荷、结合部量纲一法向接触刚度的数学表达式。数值仿真结果表明：当表面形貌的分形维数、分形粗糙度一定时，真实接触面积随着结合部法向载荷的增大而增大；结合部法向接触刚度随着真实接触面积、结合部法向载荷、相关因子或材料特性参数的增大而变大；当分形维数由1变大时，结合部法向接触刚度随着分形维数的变大而增大；当分形维数增加到趋近于2时，结合部法向接触刚度有时却会随着分形维数的增加而降低。结合部法向接触力学模型的构建，有助于分析固定接触表面间的真实接触情况。
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  星上控制力矩陀螺群隔振平台的应用研究

  张尧;张景瑞

  . 2013, 49(21): 123-131.

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  控制力矩陀螺群(Control moment gyroscopes, CMGs)作为姿态控制执行机构被广泛应用，但是自身的高频振动特性直接影响星体的姿态精度和稳定度。为能有效地提高星体的姿态精度和稳定度，通过使用六自由度隔振平台处理CMGs产生的高频振动，并对隔振平台的应用进行多任务要求下的协调性研究。建立含有隔振系统和挠性帆板的整星动力学模型，通过对模型的合理简化，得出隔振平台的传递函数特性；分析其和姿态控制系统以及挠性部件相互之间的影响，并得到隔振平台参数设计的约束指标；根据约束指标对隔振平台重要参数进行理论上的设计，并通过数值仿真验证所设计参数的合理性；将所设计的隔振平台运用到整星中，对整星姿态精度和稳定度进行预测，以分析加入隔振平台后，对整星姿态控制精度和稳定度的影响。
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  带齿薄壁短圆筒振动试验模型的相似设计方法

  罗忠;张凯;韩清凯;王德友

  . 2013, 49(21): 132-139.

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  针对带齿薄壁短圆筒振动分析的试验模型简化问题，基于相似理论提出一种动力学相似模型的设计方法。以带3个锥形齿的薄壁短圆筒为典型研究对象，应用Donnell非线性应变-位移理论建立数学模型，得到带锥形齿薄壁短圆筒的频率方程，并使用量纲分析法建立带锥形齿薄壁短圆筒原型与完全几何相似模型的动力学相似关系，在此基础上，重点研究简化为不完全几何相似的相似模型设计方法，并推导了理论计算公式。为简化说明，以将薄壁短圆筒上3个锥形齿简化为T形齿为例，分别给出将其中1个锥形齿简化为T形齿、2个相邻较近的锥形齿简化为1个T形齿和3个锥形齿简化为2个T形齿等三种不同情况的设计方法，并采用有限元法对简化前后的原型和模型的固有特性进行对比，验证了所提出相似设计方法的有效性和正确性。
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  网格曲面上的样条曲线阵列

  刘斌;黄常标;林俊义;江开勇

  . 2013, 49(21): 140-147.

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  提出一种流形网格曲面上曲线阵列复制方法，达到曲线重用与再设计的目的。网格曲面上的曲线用测地B样条表示，使对曲线的操作可以转换为对曲线控制顶点的操作；引入离散指数映射理论将给定的源曲线控制顶点映射到切空间，获得它们的法坐标，按照曲线阵列前后控制顶点法坐标保持不变的原则，建立曲线阵列前后控制顶点的对应关系，实现曲线的有规律多重复制。法坐标很好地保持了控制顶点之间的测地距离和相对位置关系，因而也保证了曲线阵列重用过程中的形状保持性。将曲线阵列时的位置与形状分开处理，使曲线生成仅与其所在的局部区域有关而与曲面的整体大小无关，既便于保证曲线的形状保持性，也减少了计算量。试验结果表明，所介绍方法健壮、有效，能满足曲面上曲线的交互设计要求。
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  基于Ashby图的挠性加速度计材料选择

  刘小院;白晓荣;贾建援;陈贵敏

  . 2013, 49(21): 148-152.

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  柔性铰链是挠性加速度计的关键部件，其性能和结构参数直接影响到加速度计的性能。给出柔性铰链的最大应力、转角及沿敏感轴转动刚度的计算公式，结合失效条件给出柔性铰链失效前最大转角的计算公式。当几何参数不变时，柔性铰链在失效前的最大转角与材料的强度和弹性模量之比有关。以构件失效抗力指标为材料选择原则，分析正常工作载荷和过载载荷下柔性铰链的失效，基于Ashby图方法绘制常用工程材料的强度-弹性模量图。结合设计实例，根据柔性铰链的应力、刚度条件及设计目标得到满足设计要求的材料特征，在Ashby图中绘制材料特征对应的曲线，根据曲线的位置选择合适材料加工柔性铰链。
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  基于贪心-遗传算法的混合轨迹加工走刀空行程路径优化

  侯媛彬;高阳东;郑茂全

  . 2013, 49(21): 153-159.

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  针对数控自动编程中交互式图形文件存储图元的无序性，提出基于贪心算法和遗传算法的新型多轮廓混合轨迹加工路径优化方法，利用遗传算法对各个轮廓轨迹的前后加工顺序进行优化排序，并融合贪心算法对某种加工顺序中相邻轨迹段之间的空行路径的控制点进行选择，进而计算总空行程和个体的适应度，然后对个体进行评价选择、交叉、变异等遗传操作。该算法不仅简化了遗传算法的编码方式，而且还排除了无效解。经编程仿真及试验测试，结果表明：算法有效地缩短了刀具的空行程、减少了刀具的起落次数、提高了加工效率。
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  薄壁管材矫直曲率半径数学模型及其验证

  张子骞;颜云辉;杨会林

  . 2013, 49(21): 160-167.

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  矫直曲率半径作为矫直工序的核心工艺参数，对管材特别是薄壁管材的矫直精度起到决定性作用。而目前在薄壁管材的矫直生产中，仍然沿用经典理论的数据图表，结合人工经验和反复试矫对其进行估定，亟待建立精确的矫直曲率半径数学模型以指导生产，为此基于薄壳构件弹塑性理论及其相关假设建立了针对薄壁管材矫直变形区的应力应变关系模型，进而对变形区弯曲力矩进行解析，运用经典卸载规律建立薄壁管材矫直曲率半径的数学模型方程，同时给出求解方法。通过有限元仿真分析和现场试验，并与经典矫直理论的计算结果进行对比，证明该模型在处理薄壁管材矫直问题时是正确和有效的，为继续深入研究矫直相关工艺参数的合理设置、完善薄壁管材矫直理论体系奠定基础。
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  基于铣削力精确建模的工件表面让刀误差预测分析

  宋戈;李剑峰;孙杰

  . 2013, 49(21): 168-175.

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  航空航天制造业结构件的高速铣削加工中，在切削力作用下由整体铣削刀具挠度变形所引起的工件表面让刀误差，严重制约零件的加工精度和效率。针对这一问题，通过建立铣削力精确预测模型，结合刀具刚度特点，对工件让刀误差进行预测分析。将切削速度和刀具前角对切削力的影响规律引入二维直角单位切削力预测模型，并通过试验进行相关系数标定。借助等效前角将直角切削力预测系数应用到斜角切削力的预测，通过矢量叠加构建整体刀具三维切削力模型。分析刀具挠度变形对铣削层厚度及铣削接触中心角范围影响规律。基于离散化的刀具模型和切削力模型，建立铣削载荷条件下刀具等效直径悬臂梁模型弯曲变形计算方法。构建以刀具变形对铣削过程影响作用规律为反馈的刚性工件表面让刀误差及切削力柔性预测模型，通过整体铣刀铣削试验验证所建立理论模型的预测精度。
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  薄壁结构件铣削参数有限元正交优势分析及优化

  胡权威;乔立红;张洪伟

  . 2013, 49(21): 176-184.

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  大型整体薄壁结构件在航空、航天工业中得到了广泛应用。但由于其刚性差，在铣削加工过程中常常出现铣削力过大而引起较大的变形，严重影响工件的加工质量和精度。针对上述问题，提出一种有限元正交优势分析方法，用以优化铣削参数，减小铣削产生的零件变形。该方法采用正交试验设计规划指导有限元铣削加工变形分析的参数方案设计，通过不同方案的计算结果研究分析铣削速度、铣削深度、铣削宽度、每齿进给量对加工变形的影响，得到各铣削要素选择的较好水平；采用优势分析方法对正交试验结果进行处理，得到各铣削要素对加工变形的贡献率，从而确定优化的铣削加工方案。以某薄壁框类零件为例得到了铣削参数的优化组合，经过验证，优化后的试验方案减少了铣削产生的最大变形量，证明了该方法的可行性及有效性。
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  用数值仿真优选Al2O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷刀具的切削参数

  陈响;马伟民;马雷;赵翔;李权;张倩

  . 2013, 49(21): 185-192.

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  用数值仿真分析Al2O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷刀具切削刃表面的温度场、应力场变化。采用瞬态和稳态有限元法确定模拟的初始变量，基于Deform2D和Johnson-Cook流变模型构建仿真切削模型，并对Al2O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷刀具加工1045淬火钢进行仿真切削，实际切削和仿真切削的结果对比具有等同的一致性。结果表明，用Lagrange和任意拉格朗日欧拉方法获得稳态切削时刀刃接触表面的温度场和应力场，当改变切削速度和进给量参数时，将引起温度场和应力场的梯度变化，由此优选出最佳切削加工条件(切削速度vc、进给量f)，为诊断陶瓷刀具的切削寿命和可靠性提供了理论数据。