机械工程学报

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陈康, 张娅, 王维民, 张旭龙, 户东方

机械工程学报. 2019, 55(19): 1-8. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.001

摘要 ( 219 ) PDF全文 ( 52 )

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叶片的振动及其导致的高周疲劳断裂问题是当前高性能透平机械研发与运行中面临的主要问题，高负荷叶片的流动参数在尾迹的干扰下发生周期性脉动造成高倍频振动是造成高周疲劳的主要因素，因此叶片高倍频振动的监测对高周疲劳的诊断预警具有重要意义。提出了基于虚拟传感器内插法的旋转态叶片高倍频信号重构及辨识方法，可实现高倍频的求解。在传感器安装夹角为6°的情况下可实现高达60倍频以内的振动辨识，理论上只需2支传感器即可进行倍频的识别，实际应用中采用4支传感器即可保证辨识精度，且只需一次启车或停车就可实现叶片振动频率的识别，简化了测试步骤。所提出的辨识方法可应用于航空发动机等静叶片数量较多、振动形式为高阶次高倍频的高端旋转机械的振动监测识别，模拟仿真和试验结果验证了该方法的有效性及准确性。

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大型混流式模型机组动应力及压力脉动测试研究

刘德民, 邓祥平, 赵永智, 段昌德, 严肃

机械工程学报. 2019, 55(19): 9-18. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.009

摘要 ( 156 ) PDF全文 ( 120 )

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最近几年在若干水力工程中，由于设计及机组运行调度的不合理，一些电站的机组，尤其是转轮叶片出现了局部裂纹问题，这引起了业界的高度关注。为此，东方电机在模型机组和真机上开展了叶片表面的动应力及表面压力脉动的测试。呈现模型机组测试的结果，通过这种测试发现最大的压力脉动幅值出现在转轮进口边区域，叶片表面上的压力脉动幅值明显大于转轮与活动导叶动静干涉所在的无叶区诱发的压力脉动幅值以及尾水涡所在的尾水管区域诱发的压力脉动幅值。叶片表面的压力脉动对应的主频和动应力对应的主频一致，主要为叶片数通过频率。动应力表现为类转频、尾水涡频率和动静干涉频率的叠加。

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增强稀疏分解及其在叶片振动参数识别中的应用

吴淑明, 胡海峰, 赵志斌, 杨志勃, 杨来浩, 田绍华, 陈雪峰

机械工程学报. 2019, 55(19): 19-27. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.019

摘要 ( 204 ) PDF全文 ( 310 )

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叶端定时是发动机叶片监测有效手段，相比于传统的应变片测量方式，叶端定时不仅可以同时监测所有叶片的振动状态，而且不会对叶片本身的振动造成影响。但是叶端定时采样数据存在高度欠采样的特点，针对该问题，提出基于增强稀疏分解(Enhancing sparse decomposition,ESD)的叶片振动参数辨识技术。稀疏分解是一种在冗余字典中对信号进行分解，通过求解优化问题得到信号在冗余字典下最稀疏解的信号处理方法。增强稀疏分解相比于传统的基追踪算法，可以得到更为稀疏的解。在建立了增强稀疏优化模型后采用原对偶内点法对优化问题进行求解，从而实现信号特征参数的有效辨识。将提出的基于增强稀疏分解的叶片振动参数辨识技术应用于不同类型的仿真数据和转子叶片试验台参数辨识，并与传统的MUSIC算法和最小二乘拟合相对比，提出的算法可以有效避免频谱混叠和泄露现象，并滤除其他频率成分的干扰，得到更清晰的谱图。

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环境激励下的旋转机械工作模态参数辨识

李启行, 褚福磊

机械工程学报. 2019, 55(19): 28-34. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.028

摘要 ( 128 ) PDF全文 ( 77 )

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伴随着高速透平机械向大跨度、柔性结构方向发展，转子-轴承系统的稳定性将面临着严峻考验。在出厂测试阶段，确保机组转子系统具有足够稳定性裕度是降低生产现场机组发生失稳故障风险的重要手段。采用适用于随机平稳环境激励下的随机子空间法，对机组的模态参数进行辨识，可规避在转子非驱动端增设电磁激振器的传统测试方法。通过分析转子振型进动方向，区分一阶正反进动的模态参数。结合3-σ统计聚类算法，剔除非稳定的噪声或物理极点，形成了区分转子系统的正反进动的稳态图。数值仿真表明，随机子空间法可以有效地辨识系统的模态参数，利用旋转机械的振型进动方向分析方法可以区分正反进动。此外，通过传统扫频激励模态参数辨识试验，验证了随机子空间方法的辨识精度和工程测试可行性。研究结果可为透平机组的稳定性测试提供技术和理论支撑。

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电磁轴承-刚性转子系统轴承传递力主动控制

毛川, 祝长生

机械工程学报. 2019, 55(19): 35-42. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.035

摘要 ( 123 ) PDF全文 ( 65 )

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针对电磁轴承支承的刚性转子系统轴承传递力的主动控制，分析了轴承传递力的组成，基于一种变步长三角形迭代搜寻算法辨识出转子位移中同频分量的方法构建了零电流控制及零传递力控制策略，分别在恒定转速和匀加速运动过程中对两种控制策略的有效性进行了仿真分析，最后在某磁悬浮高速飞轮储能系统上进行了试验验证。理论与试验结果表明，零电流控制策略能对绝大部分轴承传递力进行抑制，零传递力控制策略能对轴承传递力进行完全消除。

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由涂层引入失谐的整体叶盘集中参数建模与振动特性分析

李然, 孙伟

机械工程学报. 2019, 55(19): 43-50. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.043

摘要 ( 135 ) PDF全文 ( 142 )

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为了研究涂层参数失谐对整体叶盘振动特性的影响，创建含涂层的两自由度扇区集中参数模型，引入四种常见的主动失谐形式，详细分析了涂层质量、刚度、阻尼等参数失谐对系统振动特性的影响规律。创建含涂层参数失谐的整体叶盘集中参数模型，并由涂层引入常用的谐波、交替、线性及伪谐波四种形式的主动失谐。建立失谐后整体叶盘结构的运动方程，确定求解其固有频率及振动响应的方法，并给出了评价失谐程度的量化参数。通过实例分析了由涂层引入主动失谐后叶盘结构的振动特性。研究表明，叶盘系统发生由涂层引起的主动失谐后，系统最大响应随失谐量的增大呈现先上升后下降的趋势，有“阈值”现象。

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表面波纹度对滑动轴承转子系统稳定性的影响

李冰, 周德俭, 徐武彬, 张一磊

机械工程学报. 2019, 55(19): 51-59. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.051

摘要 ( 128 ) PDF全文 ( 156 )

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为揭示表面波纹度对滑动轴承转子系统稳定性的影响，建立了考虑表面波纹度的滑动轴承转子系统动力学模型，提出其非线性动力学分析、计算方法，表征出周向表面波纹、轴向表面波纹以及组合表面波纹等不同形式的表面波纹度对系统稳定性等系统特性的影响。研究结果表明，表面波纹度的存在会使系统油膜产生波动，增加系统的能量损失，特别是当Sommerfeld数S<0.2时，表面波纹度对系统能量损失的影响最明显。但它的存在并非都有害，表面波纹度误差的存在会在一定程度上有利于滑动轴承转子系统稳定性及承载特性，且随着波纹幅值的增高，其促进的作用越明显。此外，不同形式表面波纹度对系统特性的影响程度也不同，轴向表面波纹度对系统承载能力的促进作用比周向表面波纹度及组合表面波纹更大，而周向表面波纹度则对系统稳定性及能量损失性的影响作用更明显。当Sommerfeld数S>0.5时，轴向表面波纹度对稳定性的影响较小。

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考虑螺栓联接结构的轴承-转子系统振动特性分析

李玉奇, 罗忠, 栗江, 侯小捷

机械工程学报. 2019, 55(19): 60-67. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.060

摘要 ( 242 ) PDF全文 ( 382 )

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针对含螺栓联接结构的轴承-转子系统，建立考虑陀螺力矩及因螺栓预紧力不均匀产生的初始变形量的非线性转子系统动力学模型。采用法求解转子系统运动方程，通过分岔图、时域曲线、频谱及Poincaré映射图研究存在轴承游隙时转子系统的混沌路径，并分析不同初始变形量及轴承游隙对转子系统非线性振动特性的影响，通过试验验证所得结论的准确性。研究表明，当存在轴承游隙时，预紧力不均匀产生的初始变形量增加会抑制低转速下盘的混沌运动，拟周期运动进入混沌运动状态的转速升高，临界转速附近的振动幅值增加，系统混沌路径发生变化；存在初始变形量时，随着轴承径向游隙增大，系统在低转速工作状态下即进入混沌运动运动状态，拟周期运动进入混沌运动状态的转速降低。研究结果可为含螺栓联接结构的轴承-转子系统设计提供理论参考。

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基于胞映射算法的转子-挤压油膜阻尼器系统多目标优化设计

张微, 韩兵兵, 李响, 孙建桥, 丁千

机械工程学报. 2019, 55(19): 68-74. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.068

摘要 ( 198 ) PDF全文 ( 119 )

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将挤压油膜阻尼器设计与转子动力学相结合，使用胞映射方法对定心式挤压油膜阻尼器进行多目标优化设计。阻尼器设计参数为阻尼器径向油膜间隙以及定心弹簧刚度。综合考虑了阻尼器的触底现象、转子系统的动力学响应及稳定性，使用多目标优化设计方法以达到抑制转子过临界转速振幅及支撑外传力的目的。针对所得帕累托集合，对所得全局最优解集进行试验验证，结果表明：该最优解集所得设计变量可满足设计需求，可有效地应用到阻尼器的设计过程。

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双转子-支承-机匣耦合系统碰摩振动响应分析及试验验证

秦海勤, 张耀涛, 徐可君

机械工程学报. 2019, 55(19): 75-83. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.075

摘要 ( 140 ) PDF全文 ( 103 )

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以某型航空发动机双转子试验器为研究对象，采用Newmark-β数值积分方法求解系统的动力学响应，在考虑高低压转子中介轴承的耦合和机匣的弹性变形及其运动的基础上，建立了碰摩故障双转子-支承-机匣耦合系统动力学模型，理论分析了转速、转子偏心量和碰摩刚度对转子系统动力学特性的影响并进行了相关试验。研究结果表明：发生碰摩故障时，转子和机匣测点频谱分析图中会出现转子的倍频和组合频率，可将其作为判断系统发生局部碰摩的特征信号；随着转子偏心量和碰摩刚度的增大，碰摩幅值响应愈加明显，碰摩程度亦愈加严重；机匣测点振动量值存在衰减，后续理论建模过程中应考虑传递过程的衰减。本研究结论可为碰摩故障机理的探究和碰摩故障的诊断提供参考。

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基于非线性输出频率响应函数的转子不对中-碰摩耦合故障诊断方法研究

李志农, 李云龙, 刁海洋

机械工程学报. 2019, 55(19): 84-91. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.084

摘要 ( 155 ) PDF全文 ( 150 )

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基于非线性输出频率响应函数(NOFRF)的独特优势，将非线性输出频率响应函数引入到转子不对中-碰摩耦合故障中，提出了基于非线性输出频率响应函数的转子不对中-碰摩耦合故障诊断方法。利用提出的方法辨识得到了不同对中度及其角度的转子系统的NOFRF值，对比分析了不对中度及其角度对转子系统各阶NOFRF值的影响。仿真结果表明随着不对中度和角度的增加，NOFRF中二次谐波二阶非线性输出频率响应函数和二次谐波四阶非线性输出频率响应函数有着较为明显的增幅；一次谐波三阶非线性输出频率响应函数随不对中角度的增加而减小。因此，可以依据二次谐波二阶非线性输出频率响应函数、二次谐波四阶非线性输出频率响应函数、一次谐波三阶非线性输出频率响应函数值的变化规律识别转子系统的不对中程度。最后通过试验结果验证了仿真结果的正确性，研究成果为具有不对中-碰摩耦合故障的转子系统的故障诊断提供了重要的依据。

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转子运动激励下叶片的振动特性分析

武立明, 曹树谦

机械工程学报. 2019, 55(19): 92-102. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.092

摘要 ( 154 ) PDF全文 ( 68 )

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研究了航空发动机叶片在转子运动激励下的非线性动力学特性，利用一阶活塞理论来计算气动力，考虑大变形所带来的几何非线性的影响，利用Hamilton原理建立了叶片的连续体模型，采用伽辽金法将叶片简化为单自由度模型，通过多尺度法导出了叶片在参数激励与强迫激励作用下联合共振幅频响应的一阶近似方程；分析了转子扭转角度的幅值、稳定转速、气体的来流速度以及叶片的形状参数对于叶片幅频响应特性的影响。通过解析和数值分析，表明以上的参数是促使叶片动力学行为发生变化的敏感参数。同时应用奇异性理论得到系统主参数共振-主共振稳态响应的转迁集和分岔图，并对低风速情况下的叶片进行了试验分析。

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基于总体最小二乘准则旋转不变子空间法的叶尖定时欠采样信号分析

贺长波, 李宏坤, 赵新维, 王维民, 吴淑明

机械工程学报. 2019, 55(19): 103-111. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.103

摘要 ( 178 ) PDF全文 ( 99 )

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考虑到传统的应变法无法同时测量所有叶片的振动且存在一定的安全隐患，故利用叶尖定时技术对叶片振动进行监测。由于该方法得到的信号属于严重欠采样信号，且实际获得的信号存在噪声干扰，传统的傅里叶分析无法得到叶片的真实振动频率。研究基于总体最小二乘准则(TLS)的旋转不变子空间法(Esprit)对存在噪声干扰的欠采样信号进行频率估计，并以估计结果作为先验知识对欠采样信号进行重构。通过仿真信号分析及高速旋转叶片试验台验证方法的有效性。结果表明，所提方法可以有效地对含噪欠采样信号进行处理并估计出叶片的真实频率信息，具有很好的工程应用价值。

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叶尖碰摩诱发的转子系统振动响应数值分析与试验研究

太兴宇, 杨树华, 马辉, 张勇, 褚福磊

机械工程学报. 2019, 55(19): 112-120. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.112

摘要 ( 163 ) PDF全文 ( 303 )

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针对透平机械中叶尖碰摩诱发的转子系统振动问题，基于转子-叶片-定子耦合系统模型，通过对叶尖碰摩过程的数学表征，采用谐波平衡法和Newmark-β法，分别对转定子的稳态响应和瞬态响应进行数值计算，并分析了不同参数对系统振动响应的影响。通过分析发现，叶尖碰摩下的转定子稳态响应会呈现出“硬式”非线性特征；偏移量增加会导致峰值偏移提前，非线性特征更明显；接触刚度增加使得系统的振动加剧，并且离散性增加；叶片数增加后，“削峰”现象更加明显。由于定子的约束，系统的瞬态响应峰值明显被限制了，同时，在过临界转速后，系统会出现一个不稳定运动，使得系统振动出现瞬时增加。除了仿真分析，还基于转子-叶片碰摩试验台，对叶尖单侧碰摩下的转子和定子振动位移进行了测试。从测试结果可知，转轴的振动响应也会体现叶片的振动特征，而从定子的振动响应中可以看出由于转子涡动导致的频率调制现象。

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柔性支承下的大型离心压缩机转子振动特性

杨树华, 胡永, 肖忠会, 张程, 太兴宇

机械工程学报. 2019, 55(19): 121-127. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.121

摘要 ( 229 ) PDF全文 ( 136 )

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支承刚度对转子系统的动力学特性具有重要影响。针对大型离心压缩机转子在高速平衡条件下和实际运行工况下的支承刚度差异导致的振动问题开展研究。由于高速动平衡机的摆架刚度较低，使得一些大型离心压缩机的轴承油膜刚度与支承刚度几乎相当，导致2阶弯曲临界转速大幅降低，从而使得转子振动超标，高速动平衡难以满足标准要求。结合实际案例分别进行不考虑支承刚度及带有动平衡机摆架刚度的转子动力学分析，并对轴承瓦块、轴承座、机壳、底座进行有限元分析，获得压缩机转子的基础刚度。结果表明，考虑支承刚度的转子2阶临界转速出现了11.1%～18.3%的下降，1阶临界仅下降3.6%～7.3%，与高速动平衡试验结果吻合较好，实际支承刚度因大于轴承刚度3.5倍，机械运转试验显示1阶临界、2阶临界转速未有实质性下降，且振动满足API617标准要求，与不考虑支承刚度的转子动力学分析结果基本一致。

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机械系统功能行为合成与创新

李雨桐, 王玉新, 张旭光

机械工程学报. 2019, 55(19): 128-137. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.128

摘要 ( 119 ) PDF全文 ( 65 )

可视化

功能作用原理创成能力不足是制约功能综合法获得新颖创新性概念设计方案的关键。针对机械系统行为特征，以基础行为片段集表达常用复杂机械系统的运动行为，给出了一种基于粒度、商结构和商属性等价关系的商空间论域合成功能综合方法。不同等价划分原则，得到不同功能构型方案。为使合成的子功能满足时间有序性与空间连续性要求，对粒度等价划分方案分别进行时序等价关系划分与空间等价关系划分，基于商结构合成方法，得到两商空间的合成空间，使获得的功能方案能够在时间与空间上连续有序地实现设计功能，为结构层创成新颖优化的机械系统结构方案，提供优化的功能构型。

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基于Hammerstein模型的GMAW-P焊接熔深自适应预测控制

王万东, 王志江, 胡绳荪, 薛坤喜, 赵冠成

机械工程学报. 2019, 55(19): 138-145. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.138

摘要 ( 155 ) PDF全文 ( 59 )

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针对脉冲熔化极气体保护焊(Pulsed gas metal arc welding,GMAW-P)过程中焊接熔深的实时控制，使用脉冲峰值期间的电压变化幅值(ΔU)来表征焊接熔深变化，并且通过测量和控制ΔU的大小来间接达到熔深控制的目的。建立了以ΔU为输出和脉冲基值电流为输入的单输入单输出熔深控制系统。系统输入输出之间的静态关系模型显示该熔深控制系统具有一定非线性，因此，采用加入干扰的Hammerstein模型描述该非线性系统。在基于该Hammerstein模型的经典预测控制算法基础上，在控制过程中加入递推最小二乘法在线辨识模型参数，从而实现焊接熔深自适应控制。控制算法仿真和实时焊接试验表明该熔深控制算法能够较好地实现GMAW-P焊接过程中的熔深控制。变散热试验结果验证了该控制算法的有效性和适应性。

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样点邻域同构曲面约束的散乱点云法向估计

孙殿柱, 梁增凯, 薄志成, 李延瑞, 沈江华

机械工程学报. 2019, 55(19): 146-153. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.146

摘要 ( 169 ) PDF全文 ( 48 )

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针对现有点云法向估计算法难以兼顾估计结果的精度与稳健性问题，以局部采样区域同构曲面作为样点邻域点集所反映曲面形状约束，提出一种散乱点云法向估计方法。该方法将目标样点的邻域点集作为局部样本进行曲面重建，获取插值于采样点集并与采样表面拓扑同构的局部网格曲面；对曲面局部区域高斯映射结果进行聚类分析，获取目标样点的各向同性邻域面；基于面片的正则度以及面片至目标样点的测地距离，确定目标样点各向同性邻域面片法向的加权均值，并将所得结果作为目标样点的法向估计结果。试验结果表明，该方法在点云数据信噪比为40 dB的情况下可保证98%以上样点法向估计偏差在以内，可稳健处理含有噪声以及采样不均匀等缺陷的散乱点云法向估计问题，对于含尖锐特征的点云亦能准确估计样点法向，且具有较高的计算效率。

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基于多目标粒子群算法的电磁主动悬架作动器优化

杨超, 李以农, 郑玲, 胡一明

机械工程学报. 2019, 55(19): 154-166. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.154

摘要 ( 206 ) PDF全文 ( 238 )

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针对电磁主动悬架直线式作动器电磁力波动对悬架系统影响问题，建立作动器磁场解析模型，以总谐波畸变量(Total harmonic distortion，THD)作为电动势(Electromotive force，EMF)中谐波含量的评价指标，对影响电磁力输出的EMF进行谐波分析，在此基础上，建立考虑悬架电磁力波动特性的悬架系统模型，分析了车辆动力学响应特性。其次，采用多目标粒子群智能优化算法，以“大EMF幅值”和“小THD”值作为目标，对作动器结构参数进行多目标优化，并利用模糊集合理论对优化后的Pareto最优解集进行选优。仿真结果表明，作动器电磁力波动下降了53.8%，有效电磁力提升了8.5%，基本消除了电磁力波动对悬架系统的影响。最后，对作动器样件进行测试，结果显示：作动器绕组EMF中含有3次、2次、4次和5次谐波分量，且THD值达到了5.6%，电磁力波动为7.8 N，试验结果验证了对电磁力波动分析及优化的有效性。

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激光-MAG复合焊接过程金属蒸气和背部熔池图像分析

王煜, 高向东, 陈子琴, 黎扬进

机械工程学报. 2019, 55(19): 167-173. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.167

摘要 ( 246 ) PDF全文 ( 464 )

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在激光-MAG复合焊中，金属蒸气和背部熔池包含着大量的焊接状态信息。以316不锈钢和400低碳钢为试验对象，作异种材料复合焊接，并应用高速摄像机获取焊接过程中正面金属蒸气和背部熔池的实时图像。提取金属蒸气面积形态特征，结合背部熔池图像同步分析金属蒸气周期性变化规律并研究金属蒸气和焊接状态、焊缝成形之间的关系。以灰度共生矩阵(GLCM)方法分析图像纹理特征，并用能量、对比度和熵三个特征分析背部熔池与焊缝成形之间的关系。结果表明，所分析方法能有效反映金属蒸气的变化机理，金属蒸气和背部熔池与焊接状态之间的关联，为在线检测复合焊接质量提供依据。

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涉及空腔制造的最小长度尺寸限制的清晰结构拓扑优化设计

荣见华, 赵圣佞, 李方义, 俞燎宏, 荣轩霈, 陈成

机械工程学报. 2019, 55(19): 174-185. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.174

摘要 ( 267 ) PDF全文 ( 117 )

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针对以结构柔顺度最小为目标函数，涉及空腔制造的最小长度尺寸限制的结构拓扑优化设计问题，提出了一种新的拓扑优化求解方法。首先，为了消除现有的结构实体相及空洞相的相同的光滑Heaviside映射导致的强烈对立矛盾，引入光滑Heaviside映射和修改的光滑Heaviside映射分别进行实体相及空洞相的设计变量过滤；而后，构建了合理和协同的涉及实体相和空洞相的几何最小长度尺寸限制的结构拓扑优化模型；利用MMA算法，形成了一种新的涉及实体相和空洞相的几何最小长度尺寸限制的结构拓扑优化算法。给出的算例结果表明，与现有方法比，该方法可解决结构实体相和空洞相的几何最小长度尺寸控制问题。且所提方法可获得清晰0/1分布的优化结构拓扑。

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钛合金高速旋转超声椭圆振动侧铣削切屑特征和刀具磨损研究

刘佳佳, 姜兴刚, 张德远

机械工程学报. 2019, 55(19): 186-194. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.186

摘要 ( 224 ) PDF全文 ( 317 )

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难加工材料钛合金在采用传统铣削方式时，随着切削速度的增加，切削力和切削温度都迅速增加，使得切削条件恶化并加速刀具磨损，从而导致刀具过早失效。将超声椭圆振动加工技术引入到高速铣削中，进行了钛合金高速旋转超声椭圆振动侧铣削试验。从切屑特征以及刀具后刀面磨损两个方面研究了高速超声椭圆振动铣削参数匹配对钛合金加工的影响。首先基于高速超声椭圆振动铣削过程中刀具-工件的运动学特点推导出高速超声椭圆振动铣削加工参数与振动参数间的匹配关系，然后利用本实验室自行研制的超声椭圆振动铣削装置进行了不同参数匹配关系下的验证性切削试验。试验结果表明：合理的参数匹配使得超声椭圆振动铣削在高速条件下依然能够实现分离型断续切削加工。相比普通铣削加工，分离型的高速超声椭圆振动铣削能够获得更加微细的切屑，切削热能够被及时地带走；良好的切削条件使得刀具的后刀面磨损均匀而缓慢，从而延长刀具的使用寿命；高速超声椭圆振动铣削能够有效地提高生产效率。

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渐变强化刃刀具硬切削过程切屑流动和刀具磨损研究

陈涛, 宋立星, 李素燕, 郭健, 刘献礼

机械工程学报. 2019, 55(19): 195-200. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.195

摘要 ( 144 ) PDF全文 ( 103 )

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刃口倒棱结构在提升切削刃强度的同时也进一步增大了切削过程中的热力载荷，进而影响着硬切削加工的切屑流动、刀具磨损和加工表面质量。利用高速摄影方法，对比分析了渐变强化刃和定值倒棱两种结构PCBN刀具的切屑流动特性，发现渐变强化刃结构具有协调切屑流动的作用，能有效地解决硬切削过程切屑积聚问题。结合硬切削试验，开展了渐变强化刃刀具磨损特性研究，结果表明：与定值倒棱刀具相对集中的磨损带不同，渐变强化刃刀具磨损区域则更为狭长，后刀面磨损带呈现为长三角形，具备了更为优异的刃口保持性和耐用度，当进入到刃形改变阶段，其磨损机制由磨粒磨损机制逐渐变化为磨粒、氧化和扩散等多种机制的混合形式。渐变强化刃结构刀具在改善切屑流动和提升刀具耐用度方面均体现出了明显的优势，具备了良好的推广应用前景。

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基于Z-MAP方法的球头铣刀铣削力的建模

董永亨, 李淑娟, 洪贤涛, 李鹏阳, 李言, 李旗

机械工程学报. 2019, 55(19): 201-212. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.201

摘要 ( 214 ) PDF全文 ( 175 )

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瞬时刚性切削力的建模是铣削加工物理仿真的基础，然而，球头铣刀的刀齿形状复杂，加工过程中姿态多变，瞬时刚性铣削力的建模难度较大。在考虑刀具姿态调整的情况下，通过齐次坐标变换建立了刀齿的运动轨迹，提出了一种识别刀具和工件瞬时接触区的改进Z-MAP算法，通过计算当前刀齿的参考线与工件的边界面或刀齿扫掠面的交点求出瞬时未变形切屑厚度，并采用非线性回归的方法辨识了切削力系数，在此基础上使用微元积分法建立了瞬时切削力的计算模型。为了验证仿真模型的可靠性，分别进行了垂直加工和倾斜加工试验，试验和仿真结果具有较高的一致性，表明该建模仿真方法是有效的，可以为实际加工中参数的选择和优化提供理论依据。

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硬质合金刀具高能离子源增强多弧镀AlCrTiSiN梯度涂层制备及性能研究

蔡飞, 高营, 蔡习军, 张林, 张世宏, 王启民

机械工程学报. 2019, 55(19): 213-220. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.213

摘要 ( 188 ) PDF全文 ( 167 )

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采用离子源增强的多弧离子镀新技术，在硬质合金刀具表面制备了不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN梯度涂层，并对涂层组织结构、残余应力、结合强度、摩擦磨损以及铣削和钻削加工灰铸铁性能进行了详细的研究。结果表明：不同含Si层梯度结构的AlCrTiSiN涂层主要由固溶的(Al,Cr) N、(Al,Ti) N相和非晶态Si₃N₄相组成。其中，含Si层梯度变化最缓和的G3(Gradient 3)涂层具有较高的结合强度，较低的残余压应力、摩擦因数和磨损率。铣削和钻削试验显示，涂层刀具的切削磨损机理主要表现为磨粒磨损和粘着磨损。G3涂层降低了磨粒磨损，其刀具的铣削和钻削寿命均最高，这主要得益于其含Si层的梯度设计、适当的压应力(-3.8 GPa)以及良好的膜基结合强度。研究结果表明，通过对含Si层进行梯度设计可显著提高涂层刀具的切削性能。

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非均匀介质超声铣削系统振动特性研究

张存鹰, 赵波

机械工程学报. 2019, 55(19): 221-231. https://doi.org/10.3901/JME.2019.19.221

摘要 ( 167 ) PDF全文 ( 154 )

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采用纵扭复合超声振动铣削进行加工时，由于加工中心等空间受限场合对超声振动系统的尺寸限制，利用四分之一波长理论设计集换能器和复合变幅杆为一体的非均匀介质超声振动变幅系统，在变幅杆部分设计螺旋槽结构实现纵扭共振，并研究纵扭模态转换理论。对非均匀介质变幅系统进行有限元分析，仿真结果表明纵振系统固有频率理论值与仿真值接近，偏差仅为0.245%；对螺旋槽结构进行仿真发现槽深对其对超声变幅系统固有频率、扭纵幅值比例影响较大，螺旋角的影响次之，槽宽影响最小，振动系统测试实验表明固有频率和扭纵幅值比的仿真结果与实验结果变化趋势一致。分别对TC4钛合金和C/C碳纤维进行纵扭超声振动铣削和传统铣削实验对比，结果显示相对于传统铣削，在纵扭超声振动铣削加工中两组材料表面粗糙度值Ra分别下降78%和47%。纵扭复合非均匀介质超声振动铣削系统结构简单紧凑、振动幅值和方向可控性较好，采用纵扭超声振动铣削能有效提高工件表面加工质量。

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刊出日期：2019-10-05
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