机械工程学报

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李祺, 马跃, 黄田

机械工程学报. 2016, 52(11): 1-10. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.001

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以一种1T2R,3自由度并联动力头——A3头为对象,研究其静柔度半解析精细建模与预估方法。该方法在建立系统静柔度模型的基础上,将支链体分解为若干子部件,建立这些子部件在各自局部坐标系中定义的柔度系数与界面柔度系数的映射模型,提出一种采用分层递阶格式精确计算出各零部件柔度系数的策略,进而有效地提高了整机全域静柔度预估的效率与精度。在试验验证该方法正确性的基础上,采用灵敏度分析揭示出各部件弹性对动平台参考点柔度的影响。结果表明,移动副沿约束方向的抗弯刚度及球铰链沿驱动(约束)的抗拉压(弯曲)刚度是影响整机刚度的主要薄弱环节,进而为该类装备的改进与优化设计提供了依据。

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具有张力反馈和关节位置全闭环的挠性驱动单元性能测试

侯月阳, 吴伟国

机械工程学报. 2016, 52(11): 11-18. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.011

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对于仿人机器人,关节采用挠性驱动方式可吸收振动,减缓冲击,以减小对双足步行的影响。为此,设计并研制FDU-II型挠性驱动单元,与FDU-I型挠性驱动单元相比,具有轻量化、有安全保护、锁紧器使用方便、刚度高、输出精度高等优点;分别进行FDU-II型挠性驱动单元的转速测试、驱动能力测试、大转角频繁往复运动测试、频响测试、机器人步行样本测试等性能测试及用于双足机器人上的步行测试试验;针对等幅值下,频率越高电动机转速越大,机械系统受电动机额定功率所限无法测出其截止频率的问题,提出一种变幅值变频率的频响测试方法,即令电动机转动频率越高时,幅值越小,保证电动机始终不超过额定功率,该方法可有效解决电动机额定功率一定情况下系统截止频率的测试问题;测试结果表明FDU-II型挠性驱动单元在负载力矩12.6 N∙m时,其输出转速达到77.5 º/s,且频响达到6.1 Hz,表明FDU-II比FDU-I有更高带宽及更大功率;步行试验结果表明FDU-II型挠性驱动单元有足够的驱动能力驱动双足机器人髋关节等关节,并实现稳定的双足步行。

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燃气动力弹跳机器人的设计与试验研究

左方睿, 王化明, 栾云广, 朱剑英, 王振, 黄青云

机械工程学报. 2016, 52(11): 19-21. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.019

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以可燃混合气体为动力源,设计了一种燃气动力的弹跳机器人,包括弹跳驱动器和轮式运动机构。弹跳驱动器采用双活塞燃烧室结构及磁力锁紧机构,有效减小驱动器体积,有利于驱动器复位和废气排除。轮式运动机构包括车身和蜂窝车轮,车身作为驱动器载体,蜂窝车轮用于机器人落地缓冲。对车轮的径向、周向和切变模量进行等效计算,采用铁木辛柯梁理论对车轮进行静力分析,计算结果与试验数据吻合;利用LS-DYNA对车轮落地碰撞进行仿真,分析了落地冲击能量消耗。对机器人的弹跳运动进行规划,弹跳越障试验表明机器人可直接越过或跃上障碍物,验证了机器人的弹跳运动能力。该弹跳机器人的研究为提高地面移动机器人的未知复杂地形适应能力提供了一种可行的技术方案。

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阵列筏式波浪能发电系统设计与试验研究^*

杨绍辉, 何宏舟, 陈沪, 张军, 李晖

机械工程学报. 2016, 52(11): 22-25. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.057

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结合点吸收式和筏式波浪能收集技术,提出一种阵列筏式波浪能发电系统。该系统可利用多组振荡浮子与漂浮平台之间的相对运动,同时收集多点波浪能,并转化为电能输出。详细叙述系统的结构和工作原理,进行系统受力和能量转化效率分析,理论计算表明单个浮子的最佳能量转化效率可达31.7%。进行实海况海试试验,通过数据分析发现,投入运行的振荡浮子数目越多,系统发电量越大,但能量转化效率越低。试验结果证明本系统原理正确,为海洋波浪能开发利用提供了一种新的方法。

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一种新型四足变胞爬行机器人的步态规划研究

甄伟鲲, 康熙, 张新生, 戴建生

机械工程学报. 2016, 52(11): 26-33. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.026

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随着移动机器人在探测救援中的应用逐渐增多,活动灵巧、环境适应能力强的多足机器人越来越受到国内外学者的关注。介绍一种腰部可以活动的四足机器人的设计及其步态生成,并展示了活动腰部可提升机器人对极端环境的适应性。提出三个基本假设以简化机构模型,提出腰部构态变换规则,并用几何方法说明了腰部构型变化可扩大机器人腿部活动空间,从而提升对复杂环境的适应性。另外,腰部运动与步态融合,生成了两种新的基本步态——扭腰直行步态和原地旋转步态。基于提出的两种步态,对比了固定腰部与可动腰部条件下运动稳定裕度的变化,分别计算了狭窄弯道通过条件,并分析了所设计步态对头部视觉的影响,从而证明所设计机器人具有较高的极端环境适应能力。

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一种基于力密度的网状可展开天线索网结构初始形态设计方法

杨癸庚, 杨东武, 杜敬利, 张树新

机械工程学报. 2016, 52(11): 34-41. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.034

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针对环形网状可展开天线索网结构的初始形态设计问题,提出一种基于力密度思想的找形与找力相结合的优化迭代设计方法。该方法将索网结构初始形态设计分为前、后索网设计两部分。通过优化迭代的方法设计前索网,在满足网面精度要求的条件下,实现前索网所有内部索段的张力相等、边界索段与内部索段的最大张力比最小;根据前索网的形和力,在调整索保持竖直、后索网满足高度要求的条件下,通过优化实现后索网最大张力比最小。仿真算例表明,对于旋转抛物面和偏置抛物面索网结构,该方法与现有方法相比,均可进一步提高索网张力的均匀性,该方法正确有效。

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柔性结构的多输入多输出运动系统辨识方法

黄涛, 杨开明, 杨进, 朱煜, 胡楚雄

机械工程学报. 2016, 52(11): 42-49. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.042

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柔性结构的多输入多输出(Multiple input multiple output, MIMO)运动系统的辨识方法是一个具有理论研究和工程应用价值的问题。随着运动系统结构设计、控制性能等要求不断提高,过去视为刚体的MIMO运动系统的柔性动力学特征将越来越显著,成为限制系统性能的重要因素。在辨识试验获得频域非参数模型基础上,提出一种柔性结构的MIMO运动系统辨识方法,基于正交多项式的总体参数曲线拟合得到同分母的MIMO传递函数矩阵,利用模态叠加原理以及奇异值分解(Singular value decomposition, SVD)原理得到系统的状态空间模型。此方法被应用于光刻机工件台这一典型的带有柔性动力学特征的MIMO运动系统。获得的MIMO状态空间模型具有频域辨识模型同等的辨识精度,证明了提出的辨识方法的有效性。所获得的模型满足用于综合控制设计的要求。

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任意齿差纯滚动活齿传动齿形设计方法及啮合特性研究

宜亚丽, 刘朋朋, 安子军, 金贺荣

机械工程学报. 2016, 52(11): 50-62. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.050

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由于高次多项式类曲线具有无刚、柔性冲击的特点,为实现任意齿差纯滚动活齿传动,提出基于五次多项式类曲线的新齿形设计方法。基于转速变换和包络原理,推导出中心轮齿廓方程,制定中心轮避免齿形干涉的设计条件,分析中心轮齿形曲率半径变化规律,阐释活齿轴半径对中心轮齿形的影响;根据活齿传动啮合原理,以压力角表达式表征啮合特性,并对影响最小压力角及传力齿廓区间大小的表征参数进行分析,为任意齿差纯滚动活齿传动结构几何参数的选择提供了设计依据。给出设计实例,验证理论分析结果的有效性,仿真结果表明,高次多项式类任意齿差纯滚动活齿传动受力效果好,传动平稳,设计方法简单,易于形成模块化与系列化设计,具有广阔的应用前景。

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ICF激光装置靶定位系统运动学耦合问题研究^*

程宁波, 冯斌, 贾怀庭, 李富全, 魏晓峰

机械工程学报. 2016, 52(11): 63-71. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.063

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靶定位系统是惯性约束聚变(Ignition confinement fusion, ICF)激光装置靶场系统的重要子系统之一,但在调靶过程中表现出运动学耦合现象。为了解决此问题,建立靶定位系统的运动学模型,给出靶定位系统产生运动学耦合现象的理论解释,提出一种实用的、与靶的类型无关的“增量式”位姿调整方法,给出该调整方法中必需的一个姿态矩阵的辨识方法。考虑实际靶定位系统中靶传感器的测量能力和六自由度并联机械手的定位能力这两个关键方面的约束条件,对姿态矩阵辨识方法和“增量式”位姿调整方法进行仿真验证。仿真结果表明,“增量式”位姿调整方法不仅有效地解决了靶定位系统的运动学耦合问题,而且能够在靶的期望位置增量不超过一定值(如2 mm)时保证很高的位置控制精度。

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基于力的存在性与可行性的夹紧力变向增量递减规划算法

秦国华, 王华敏, 叶海潮, 吴竹溪

机械工程学报. 2016, 52(11): 72-79. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.072

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根据工件的静力平衡条件与工件-装夹元件之间接触力的方向约束,建立工件装夹方案的力学模型。进一步结合线性规划技术,构建力的存在性分析模型及其求解方法,实现夹紧力是否有解的判断。针对夹紧力有解这一条件,由装夹方案力学模型与线性规划技术推导出力的可行性分析模型及其判断标准,实现给定的夹紧力是否合理的判断。考虑夹紧力的取值范围,以一定步长正向从最小值开始取值,根据当前值与上一次取值之间可行性的差异,确定下一次取值的步长及其方向;若可行性相同则以相同步长继续正向取值,否则以一半步长、反向取值,直至步长的绝对值在阈值范围之内,构建夹紧力变向增量递减的规划算法。该算法将连续型的夹紧力设计问题转化为离散型,不仅利于计算机实现夹紧力的自动化设计,而且还适合于形状复杂的工件。

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考虑强度退化和失效相关性的风电齿轮传动系统动态可靠性分析

周志刚, 徐芳

机械工程学报. 2016, 52(11): 80-87. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.080

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针对随机风作用下风力发电机齿轮传动系统失效率高的问题,研究了随机风引起的风力发电机传动系统外部风载荷以及内部由齿轮、轴承刚度及综合啮合误差等引起的内部动载荷激励,基于集中质量法建立了风电齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型。在对模型进行仿真求解的基础上,分别求得了传动系统中各齿轮和轴承的动态接触应力-时间历程。将载荷作用过程视为随机过程,推导出随机载荷作用下的等效载荷累计分布函数,从系统层面上建立了基于应力-强度干涉理论的风力发电机齿轮传动系统动态时变可靠性模型, 模型考虑了零件的失效相关性和强度退化因素,研究了失效相关性和强度退化对风电齿轮传动系统可靠度和失效率的影响规律,为风力发电机齿轮传动系统动态设计和可靠性优化设计奠定了基础。

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高速冷连轧机组的振动与对策研究

魏立群, 戴志方, 肖壮, 瞿志豪

机械工程学报. 2016, 52(11): 88-94. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.088

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针对我国某钢厂高速冷连轧机组冷连轧机组轧制T5极薄带材时,第5机架轧制速度超过650 m/min出现轧机振动的问题,从生产现场该机组轧机振动的实测分析入手,确定了该轧机的振动源和振动频率,并采用有限元动态分析计算,验证了轧机振动实测分析结果和振动形态。根据实测分析和有限元计算所确定的振动轧机辊缝润滑油膜变化而引起轧机振动的结论,通过优化该轧机的轧制润滑工艺,有效抑制了该机组轧制T5极薄带材时出现轧机振动的现象,使该机组的轧制速度从650 m/min左右提高到900 m/min以上,消除了该机组轧制T5极薄带材的瓶颈问题。

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类金刚石薄膜摩擦机理及其摩擦学性能影响因素的研究现状

雍青松, 王海斗, 徐滨士, 马国政

机械工程学报. 2016, 52(11): 95-107. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.095

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类金刚石薄膜(DLC)具有十分优异的减摩耐磨性能,是一种极具发展潜力的固体润滑材料。但其摩擦学性能受到很多因素的影响,这些因素主要可以分为两大类：固有因素和外在因素。在不同的固有因素和外界因素影响下DLC薄膜的摩擦学性能会产生较大差异,这大大制约了人们对其摩擦学行为及摩擦机理的认识,限制了其应用范围的扩展。总结了目前有关DLC薄膜摩擦机理的三种理论,即转移膜理论、滑行界面石墨化理论和化学吸附钝化悬键理论,并在此基础上概括分析了各固有因素和外界因素对DLC薄膜摩擦学性能的影响及其机理,提出未来可以从基础理论和相关技术两方面对DLC薄膜的摩擦学性能展开深入研究。

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一种快速检测单晶硅亚表面损伤层厚度的方法

徐乐, 郭剑, 余丙军, 钱林茂

机械工程学报. 2016, 52(11): 108-114. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.108

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为了保证单晶硅晶圆在精研与抛光过程中的品质与质量,亟待寻求一种快速、简单、经济的硅材料亚表面损伤程度的检测方法。基于HF溶液对单晶硅损伤层的选择性刻蚀特性,提出一种快速检测单晶硅亚表面损伤层厚度的方法。透射电镜观测结果显示,HF溶液能选择性地刻蚀单晶硅划痕区域的亚表面损伤层,证实了该方法检测结果的有效性。利用该方法研究了载荷和速度对单晶硅亚表面划痕损伤的影响。结果表明,当外加载荷为单晶硅临界屈服载荷的1.1倍及以下时,单晶硅亚表面的划痕损伤层厚度随刻画速度的增大而减小;而当外加载荷达到临界屈服载荷的12.5倍时,单晶硅亚表面的划痕损伤对刻画速度的变化不敏感。该方法可方便快捷地检测单晶硅划痕区域亚表面的损伤层厚度,有望应用于单晶硅晶圆平坦化过程的损伤检测与控制。

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双疏铝合金表面的水/油润滑摩擦学性能

连峰, 王增勇, 张会臣

机械工程学报. 2016, 52(11): 115-120. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.115

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利用激光加工在5083船用铝合金表面构建间距为100 μm的点阵和网格微结构,将SiO₂纳米粒子涂覆在微结构上构建微纳结构,制备出双疏铝合金表面。采用接触角测量仪测量其表面接触角和滚动角,采用多功能摩擦磨损试验机探讨其在水润滑和油润滑条件下的摩擦学性能。结果表明,网格表面的超疏水/疏油性能比点阵表面更强,水接触角达到159.9 º,对十六烷的接触角达到147.0 º。随表面疏水和疏油性能的提高,摩擦因数减小,磨痕深度变浅,宽度变窄。油润滑条件下的摩擦因数显著小于水润滑条件下的,且波动性更小,磨痕也更浅更窄。水润滑条件下,点阵表面的摩擦因数大于网格表面;而油润滑条件下,点阵表面的摩擦因数小于网格表面。

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数控机床主动力系统载荷能量损耗系数的计算获取方法

刘培基, 刘霜, 刘飞

机械工程学报. 2016, 52(11): 121-128. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.121

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机床量大面广,能量消耗巨大并且能量效率低、能量效率规律复杂,因此机床能量效率的研究和应用正在全球迅速兴起。机床主动力系统载荷能量损耗,是机床最复杂的部分,一般占到机床切削能量的10%~20%,其具体多少决定于载荷损耗系数。针对机床主动力系统载荷损耗系数在线获取非常困难,以及现有获取方法存在切削仪器昂贵、测量过程复杂以及许多机床无法安装等不足,提出一种根据数控机床主动力系统载荷能量损耗数学模型而建立的载荷损耗系数计算获取方法。上述数学模型由三部分组成：基于主电动机的变频器额定功率、额定功率损耗和散热器额定功率等基础参数的变频器功率损耗近似计算模型;基于主电动机额定功率、基频、空载功率和基频下的效率等基础参数的主电动机功率损耗模型;基于机床机械传动系统中每种传动副的数量和载荷效率等基础参数的机械传动系统载荷损耗模型。实际计算时只需获取基础参数和测量机床主动力系统空载功率,便可计算出机床主动力系统的载荷能量损耗系数。基于上述计算方法,计算获取了数控加工中心PL700主动力系统的载荷能量损耗系数。实验结果证实了该方法的准确性和实用性。该方法可广泛用于数控机床的切削功率获取、数控机床能量效率评价和工件能量效率预测及优化等研究和应用中,具有多方面的应用前景。

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楔式动力卡盘的径向夹持刚度特性研究

王健健, 张建富, 冯平法, 吴志军, 张国斌, 闫培龙

机械工程学报. 2016, 52(11): 129-139. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.129

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在阐明夹持刚度对工件加工精度影响规律的基础上,通过理论、仿真和试验相结合的方法,从卡爪/工件接触状态角度,研究楔式动力卡盘的径向夹持刚度特性。研究卡盘的使用参数,特别是夹紧力、卡爪数量、夹持长度、切削力等对径向夹持刚度的影响规律。针对较大的切削力会使卡盘的径向夹持刚度降低的现象,提出保证高加工精度的极限切削力的判定方法。研究发现：当卡爪和工件在整个夹持长度上完全接触时,卡盘径向夹持刚度的周期性变化不明显;当弯力大于极限值的时候,径向夹持刚度会降低,并重新表现出周期性现象。通过合理配车使夹紧力均匀分布、增大夹紧力和夹持长度是改善卡盘夹持刚度特性、提高极限弯力的有效方法。使用四爪卡盘可以削弱夹持刚度的周期性现象。

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面向双刀加工的中长型叶片型面轨迹规划方法

刘军, 张俊, 赵万华, 卢秉恒

机械工程学报. 2016, 52(11): 140-145. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.140

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针对中长型叶片加工出现的变形问题,基于切削力抵消的思想,提出叶片整体型面上的双刀纵切加工系统实现方案及轨迹规划方法。根据叶片型面特性和双刀对刀加工需求,建立双刀系统运动自由度分配方案;基于NURBS曲面的理论建立了叶片型面的参数化模型,建立牛鼻刀在空间姿态下加工复杂曲面的切削力计算的解析模型,在此基础上进行了双刀加工的轨迹规划。通过有限元计算对比单刀和双刀加工的变形。结果表明：优化后的路径在保证叶片整体表面质量的前提下能够有效地减小加工变形,整个叶片型面上的变形量平均减少了56.76%,为中长型叶片的高精双刀加工提供了一种实际解决思路。

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基于特征的刀具“形-性-用”一体化设计方法

刘献礼, 计伟, 范梦超, 王昌红

机械工程学报. 2016, 52(11): 146-153. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.146

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刀具作为机床的“牙齿”,在金属切削中非常重要,目前专用化是刀具发展的一个主要趋势,挑战刀具设计的灵活性和准确性。为了实现这一目标,提出了刀具“形-性-用”一体化设计方法,它以加工需求为驱动,利用切削过程中涉及的理论(几何约束、切削力作用、切削层作用机理、刀具强度理论、高温材料学属性以及化学反应关系等),并通过刀具设计特征,将刀具的形状、性能和使用结合起来,进而实现针对加工需求的专用刀具设计,以及相应的加工条件和切削参数等的确定。然后建立了刀具“形-性-用”一体化设计方法系统框架,并开发了其软件平台。最后采用示例分析,展示本方法的刀具参数优化过程和刀具建模过程,进而证明本方法的可行性。刀具“形-性-用”一体化设计方法为刀具专用化发展提供一种新方法和新思路。

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重型数控机床热误差建模及预测方法的研究

李逢春, 王海同, 李铁民

机械工程学报. 2016, 52(11): 154-160. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.154

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重型数控机床的热误差已经成为影响其加工精度的一个关键问题。针对一台典型的重型落地铣镗床,以机床热误差测量试验为依据,分析该类机床温度场的特点;据此提出一种旨在完成高效温度测点优化的改进系统聚类方法,该方法使用一种兼顾欧氏距离和相关系数的系统聚类准则,可以有效地降低优化后温度测点之间的共线性。基于优化后的温度测点,利用多元线性回归分析,构建了机床的热误差预测模型。现场试验数据表明,该方法可以将热误差预测的均方根误差降低到10 μm以下,相较于其他方法有着更高的热误差预测精度,有望在其他重型数控机床的热误差建模和预测研究中得到更大的推广应用。

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柔性材料加工变形影响因素提取层次分析方法

邓耀华, 陈嘉源, 刘夏丽, 张巧芬, 陈思成, 吴黎明

机械工程学报. 2016, 52(11): 161-169. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.161

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加工变形影响因素约简是柔性材料加工变形补偿控制预测建模的首要问题,但是由于柔性材料的特性及加工特点,造成加工过程变形影响因素既多又相互重叠、关联。考虑到信息决策领域的层次分析方法具有仅利用较少的定量信息就能计算出各个因素对系统的影响程度大小的优点,将层次分析法用于柔性材料加工变形影响因素的提取,构建由加工变形影响因素重要度、加工属性、各个加工变形影响因素分别作为目标层、准则层、指标层的加工变形影响因素提取层次分析模型;推导了加工变形影响因素提取属性P对目标层的影响程度矢量W_p的计算公式,并以W_p作为提取的评价指标,制订提取算法计算流程,开展提取模型的效果试验。试验表明,由层次分析法提取得到的重要度最高影响因素,与Pawlak方法、信息熵方法提取的影响因素一致,经层次分析方法提取的模型预测误差,比Pawlak方法、信息熵方法的分别小了13.76%、9.43%,证明了层次分析法能更有效性和方便获得精简、准确度高的加工变形影响因素集。

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一种高速高精的路径动态前瞻规划算法

孙树杰, 林浒, 于东, 郑飂默, 于金刚

机械工程学报. 2016, 52(11): 170-176. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.170

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由于路径规划过程与速度规划过程之间缺乏信息交换,加工过程会出现加工速度与加工质量降低的现象,针对这一问题,提出了种高速、高精的路径动态前瞻规划算法。根据相邻加工路径之间的关系,规划出过渡圆弧半径的初始值;根据当前过渡圆弧与相邻的前一个过渡圆弧之间的关系,调整当前过渡圆弧的半径值;利用前瞻算法,结合具体的速度规划方式,进一步调整过渡圆弧的半径值,以确保加工过程中刀具既可以加速到路径所允许的最大速度,又可以在减速点前进行有效的减速。试验表明,通过将路径规划过程与速度规划过程相结合,算法在系统允许的误差范围内实现了有效的路径规划,并且最大程度地提高了加工速度,在保证加工精度的同时,提高了加工效率。

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碳纤维复合材料/钛合金叠层钻孔质量研究

南成根, 吴丹, 马信国, 陈恳

机械工程学报. 2016, 52(11): 177-185. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.177

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碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)/钛合金叠层的钻孔机理不同于单层材料钻孔,钛合金切屑在排出孔外过程中会对CFRP孔质量造成损伤。为了探究CFRP在叠层钻孔时的质量特性,设计正交试验分析了钛合金切屑和切削参数对CFRP层钻孔质量的影响。观察了轴向切削力和力矩的变化以及钛合金切屑形态,分析CFRP层孔径超差和入口撕裂的机理。结果表明：大进给量条件下,高温、高硬度的钛合金切屑会对CFRP产生严重的侵蚀,是导致CFRP孔径超差的主要原因,并会增大入口撕裂程度;CFRP入口撕裂主要产生在切削速度和纤维方向夹角θ=45 °的位置,低切削速度不利于切削CFRP,会加大入口撕裂程度。因此,应使用小进给量钻削钛合金层,使用大切削速度钻削CFRP层;在保证钻头强度的前提下,推荐使用具有较大容屑空间的钻头。

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三种典型生物软组织切割特性的试验研究

胡中伟, 林旺源, 徐西鹏

机械工程学报. 2016, 52(11): 186-192. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.186

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以生物医学为应用背景的生物软组织切割机理研究近年来已成为关注的热点,从生物软组织主要组织成分对切割特性的影响出发,定性分析不同生物软组织的切割特性对理解生物软组织切割机理具有重要的意义。选取三种典型的生物软组织：胶原体含量高的肌腱、弹性体含量较高的动脉管和平滑肌含量较高的胃肌层,在自行搭建的生物软组织切割平台上开展切割试验。从切割力、组织变形、切割能和局部刚度等角度对三种典型软组织的切割特性进行对比研究。定性分析了生物软组织中三种主要组织成分对切割特性的影响：胶原纤维对软组织切割力的影响较大,弹性体对软组织切割变形的影响较大,而平滑肌则对软组织切割特性的影响较小。

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树脂基圆弧金刚石砂轮的在位精密成形修整技术

陈冰, 郭兵, 赵清亮, 王金虎, 葛成

机械工程学报. 2016, 52(11): 193-200. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.193

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针对球面、非球面及自由曲面超精密磨削加工用树脂基圆弧形金刚石砂轮难以精密修整的问题,提出基于旋转绿碳化硅(GC)磨棒的在位精密成形修整技术。在分析GC磨棒和圆弧砂轮几何关系的基础上,确定修整过程中圆弧插补轨迹的补偿方法及GC磨棒运动轨迹的设计方案。采用KEYENCE激光测微仪采集砂轮圆弧特征点,表征圆弧砂轮的修整状况。研究不同粒度的GC磨棒、进给深度和圆弧插补速度对圆弧金刚石砂轮修整率和修整精度的影响规律。研究结果表明,该修整方法可根据加工曲率半径要求实现不同圆弧半径砂轮的精密在位修整,修整后可自动消除砂轮垂直方向的位置偏差;采用400#和800#的GC磨棒对D3和D7砂轮均有较高的修整率(0.7~6.7);与400#和1500#的GC磨棒相比,800# GC磨棒更适合粒度为D3和D7圆弧金刚石砂轮的精密修整;相比圆弧插补速度,进给深度对砂轮的圆弧半径尺寸误差和形状误差影响更大,进给深度越小,圆弧半径尺寸误差和形状误差越小;修整后两种砂轮的圆弧半径误差均可控制在5%以内,D3砂轮的形状误差可控制在3 μm / 4 mm以内,D7金刚石砂轮可控制在6 μm / 4 mm以内,修整后比修整前形状误差提高14倍左右。

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太阳能硅片游离磨料电解磨削多线切割表面完整性研究

鲍官培, 周翟和, 章恺, 张霞, 赵明才, 汪炜

机械工程学报. 2016, 52(11): 201-206. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.201

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游离磨料多线切割是目前加工太阳能硅片的主要方法。然而,该方法切痕较深,损伤层较厚,进一步增大硅片尺寸、减小硅片厚度难度很大。游离磨料电解磨削多线切割,复合了机械磨削和电化学加工方法,通过在加工过程中给硅锭和切割线施加电场产生阳极钝化或腐蚀,可以有效降低切割负载,提高切割效率,改善硅片的表面质量。以156 mm×56 mm(8寸)、电阻率(1~3 Ω∙cm)P型多晶硅片切割为例,初步试验结果表明,采用相同的切割参数和原材料,相对于游离磨料多线切割,电解磨削多线切割硅片的弯曲度降低了3 μm,分布区间集中在0~9 μm之间;采用20%的NaOH溶液腐蚀硅片,表面的隐裂和深沟槽较少出现,说明硅片的表面损伤程度减轻,有利于减少后续制绒减薄量。该方法和现有游离或固结磨料多线切割技术兼容性好,设备改造成本低,工程应用前景十分广阔。

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电火花加工8418钢的工艺预测模型

余剑武, 何利华, 段文, 沈湘, 易成

机械工程学报. 2016, 52(11): 207-212. https://doi.org/10.3901/JME.2016.11.207

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在电火花加工中,加工工艺指标的结果与工艺参数的设置密切相关。一般情况下,操作者在进行实际执行之前,只能根据以往的加工规律以及经验手段对其结果进行预判,达到预先评估加工结果的目的。针对这一情况,提出一种适用于电火花加工工艺指标结果预测的模型,该模型的建立是基于支持向量回归理论的数学方法,并利用遗传算法优化该方法中的各参数。以电火花加工8418模具钢为例,结合正交试验方法和经验加工方法选取加工工艺参数,并记录工艺指标结果。为保证EDM工艺指标预测模型的准确性,将试验数据随机分成训练集和测试集,利用训练集训练EDM工艺指标预测模型,可得加工时间模型均方误差T_MSE=0.95×10^-4,平方相关系数T_R₂=0.99 1;工件去除率模型均方误差MRR_MSE=1.02×10^-4,平方相关系数MRR_R₂ =0.999 3;电极损耗率模型均方误差EWR_MSE =1.11×10^-4,平方相关系数EWR _R₂=0.998 9。再利用测试集验证该模型,可见预测结果与试验结果之间的误差在5%以内,从而证明电火花加工8418钢工艺预测模型的准确性和有效性。

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2016年, 第52卷, 第11期　
刊出日期：2016-06-05

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