机械工程学报

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张飞, 张彬, 周烽, 尚伟伟, 丛爽

机械工程学报. 2020, 56(1): 1-8. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.001

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针对自动仓储领域的应用需求，研究了冗余驱动绳索牵引并联机器人的构型选择和参数优化问题。分析了自动仓储应用中冗余驱动绳索牵引并联机器人的结构特点，建立了静力学模型和力可行条件。基于动平台在需求力矩下力可行条件的分析，提出了一种最大负载优化指标。设计了完整的优化方法，并对所有构型的最大负载进行优化，最终得到了最优的构型及其动平台参数。通过仿真测试，将优化结果与其他构型以及随机选取的动平台参数进行了对比。结果表明最优构型的最大负载性能最佳，并且经过优化后，最大负载有明显提高。

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基于复位路径包络误差和改进人工势力场法的复位机器人安全策略

雷静桃, 王洋, 程利亚, 胡磊, 王田苗

机械工程学报. 2020, 56(1): 9-19. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.009

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针对机器人辅助骨折复位操作中的人机协同手术安全问题，提出一种基于复位路径包络误差和改进人工势力场的复位安全策略。根据CT扫描数据，采用逆向建模构建骨折的3D数字化模型，采用A^*搜索算法规划避障复位路径。基于临床手术精度要求和术前规划的复位路径，在所规划的复位路径周围构建包络误差面，提出改进的人工势力场法，以无数个包络圆形成的包络误差面建立斥力场，在骨折近端断面处建立引力场，引导复位机器人进行骨折复位，保证机器人辅助骨折复位手术操作被限定于复位路径的包络误差范围内。对基于复位路径包络误差的机器人复位安全策略进行仿真验证，针对骨折复位路径无障碍、有障碍两种情况，分别进行复位操作安全策略的仿真分析。仿真结果表明采用包络误差和改进人工势力场的安全策略时，复位路径完全落在包络误差所限定的范围内，能较好地避开障碍物，且仿真路径与规划路径非常接近，能有效提高机器人复位操作的安全性和精准性。

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3UPS/S舰船稳定平台非惯性系动力学建模

王力航, 郭菲, 卢文娟, 李永泉, 张立杰

机械工程学报. 2020, 56(1): 20-29. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.020

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舰船稳定平台实时检测并补偿船体在海浪中运动，为舰载设备提供对地稳定空间。稳定平台处于不断运动着的工作环境，准确高效的非惯性系动力学模型是提升稳定控制品质的重要前提。借鉴串并混联机构动力学建模过程，通过虚拟低阶参考系机构，将惯性系动力学研究方法扩展非惯性系当中，利用凯恩方法建立3UPS/S并联稳定平台非惯性系下动力学模型。为了验证建模方法的正确性，分别搭建Simulink/SimMechanics多体动力学仿真模型以及非惯性运动试验平台。试验结果表明，计算驱动力与实测驱动力在量值上相近且变化趋势一致，验证了动力学模型的合理性。

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噪声干扰下的RV减速器故障诊断

彭鹏, 柯梁亮, 汪久根

机械工程学报. 2020, 56(1): 30-36. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.030

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在实际工况下，旋转矢量（Rotate vector，RV）减速器的振动信号往往掺杂噪声。被噪声污染后的振动信号给RV减速器的故障诊断带来挑战。为此，提出一种噪声干扰下的卷积神经网络模型（Anti-noise network，ANNet）以实现RV减速器的故障模式识别。该模型首先将一维振动信号通过信号堆叠的方式转化成二维灰度图像，然后采用Dropout操作直接对原始输入信号进行随机干扰，并同时利用多个不同尺度的卷积核对输入信号的不同特征进行自动提取和融合。进一步将ANNet算法与其他算法进行了对比分析，结果表明在不同强度的噪声干扰下，ANNet算法相比于其他算法具有更强的抗噪干扰能力；尤其是在强噪干扰环境下，ANNet模型的诊断准确率比现有算法高出10%～20%。最后探讨和解释了模型的特殊结构设计以及模型具备抗噪能力的原因。

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基于多体动力学特性的输送带跑偏研究

尹兆明, 樊智敏

机械工程学报. 2020, 56(1): 37-46. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.037

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输送带跑偏是带式输送机运行过程中最常见的故障。为研究输送带跑偏运动规律及各种因素对其产生的影响，提出基于多体动力学方法，对带传动系统进行离散处理，根据输送带与滚筒间的刚柔多体耦合接触，建立其多体非线性接触动力学模型，研究滚筒平行度、输送带黏弹性特性、运行状态以及输送带与滚筒间压陷深度等对输送带偏移量的影响，并在此基础上研究输送带跑偏对主动滚筒可靠性的影响。研究结果表明：输送带跑偏不仅与受力有关，还与其材料黏弹性特性引起的弹性变形有关；滚筒平行度公差与输送带偏移量呈单调递增关系；输送带黏弹性特性决定其与滚筒间的压陷深度，且输送带偏移量随着压陷深度的增大而增大；输送带运行速度越高、输送距离越长，输送带偏移量越大；输送带跑偏将导致主动滚筒应力、应变及其分布发生变化，降低其使用寿命。

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核环吊地震反应数值模拟分析

张欣刚, 齐朝晖, 国树东, 屈福政

机械工程学报. 2020, 56(1): 47-57. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.047

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将传统反应谱法应用于核环吊抗震分析时，通常需要将轮轨关系绑定，不允许部件相互脱离，因而无法模拟强震作用下可能发生的跳轨行为以及水平轮对安全壳产生的冲击。结合核环吊结构特点，首先，考虑部件间的非光滑接触，采用非光滑多体系统动力学方法建立动力学方程，此模型可以较为真实地反映核环吊各部件间的接触碰撞效应。然后，利用模型降噪方法滤除系统中过高频率的弹性振荡，使用这种方法修正的多柔体系统动力学方程求解兼具简便性与快速性。随后，将轮轨间接触力简化为接触点的法向接触力和摩擦力，采用库伦干摩擦模型描述其摩擦力，提出一种光滑化线性互补模型计算轮轨间动态接触力，该模型可综合考虑接触和碰撞，不必在接触状态发生改变时切换模型。同时，根据处理静摩擦开关效应的相关理论，对水平隔震装置阻抗性能曲线进行处理，克服其难以用于数值计算的困难。最后，通过数值模拟侦测到了强震作用下核环吊结构的跳轨现象，该仿真模拟算法与平台可为三代核环吊的设计提供数据参考。

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非线性二自由度主动悬架滑模控制方法的研究

秦武, 上官文斌, 吕辉

机械工程学报. 2020, 56(1): 58-68. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.058

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以非线性二自由度主动悬架模型为研究对象，分析与验证了基于参考天棚模型的滑模控制算法在非线性悬架控制中的有效性。根据参考天棚模型和非线性二自由度模型中簧载质量位移和速度相等，利用滑模控制方法，给出了非线性二自由度主动悬架的控制力的计算方法。试验测试了有无控制时非线性二自由度主动悬架系统中簧载质量的加速度，验证了主动悬架的控制力的计算方法的有效性。给出了参考天棚模型中天棚阻尼系数的选择方法，研究了控制参数对非线性二自由度主动悬架控制效果的影响。基于非线性二自由度主动悬架模型，计算分析了滑模控制和线性二次型最优（Linear quadratic regulator，LQR）控制的主动悬架性能指标。结果表明：对于非线性二自由度悬架系统，基于参考天棚滑模控制的主动悬架系统可以获得更优的性能指标。

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基于拉普拉斯特征映射和深度置信网络的半监督故障识别

张鑫, 郭顺生, 李益兵, 江丽

机械工程学报. 2020, 56(1): 69-81. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.069

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针对机械设备故障诊断过程中有标签样本不足，结合流形学习与深度学习的思想，提出了基于拉普拉斯特征映射（Laplacian eigenmap，LE）和深度置信网络（Deep belief network，DBN）的半监督故障识别模型。该模型运用LE算法直接对原始高维振动信号进行特征提取，将低维流形特征输入DBN，利用少量昂贵的有标签样本和大量廉价的无标签样本，二次挖掘故障特征，并构建Soft-max分类器最终识别出机械设备的故障模式。将该半监督模型应用于轴承故障和齿轮裂纹的识别中，试验结果表明，LE算法有效降低了模型的时间复杂度，增强了特征提取的智能性，提高了诊断效率；DBN网络可以充分挖掘故障特性，得到更好的特征表示，提高了分类精度。此外，该模型在不平衡的训练标签下也实现了很好的诊断效果，且适用于多传感器特征融合的诊断，具备实际应用的价值。

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平衡梁结构对水润滑可倾瓦推力轴承启停过程的影响

王占朝, 郭飞, 刘莹, 龚常亮, 刘向锋, 王玉明

机械工程学报. 2020, 56(1): 82-90. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.082

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建立了带平衡梁结构的水润滑可倾瓦推力轴承启停过程瞬态模型，在该模型中考虑了界面滑移、挤压作用和支点变形的影响。采用该模型分析了相同运行条件下平衡梁结构与非平衡梁结构的可倾瓦推力轴承的启停过程。分析结果表明：随着瓦面高度误差的增加，轴承的启停转速增加。设计了一套水润滑可倾瓦推力轴承机理研究试验系统，包括平衡梁与非平衡梁结构的可倾瓦推力轴承，并对两种轴承的启停过程进行试验。试验结果表明：非平衡梁结构可倾瓦推力轴承各瓦之间的载荷误差达到90%，而平衡梁结构可倾瓦推力轴承各瓦之间的载荷误差小于4.6%。平衡梁结构可以降低轴承的启停转速，同时提高轴承加工及安装误差的最大许可范围。试验结果与理论分析结果取得较好的一致性。

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弹支可倾瓦推力轴承弹性垫最佳偏心率的影响因素

梁兴鑫, 严新平, 欧阳武, 刘正林

机械工程学报. 2020, 56(1): 91-99. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.091

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为了优化橡胶垫支撑的水润滑可倾瓦推力轴承橡胶垫的偏心率，并研究橡胶垫最佳偏心率的影响因素，提出了轴承热流体动压润滑性能计算模型，采用有限元法求解橡胶垫在非均匀压缩时作用于推力瓦块的支撑力和力矩，并拟合支撑力和力矩随压缩量和瓦块倾角变化关系方程，采用有限差分法求解流体域各控制方程，研究了载荷、转速、瓦块尺寸和长宽比等因素对橡胶垫最佳偏心率的影响规律。研究表明，橡胶垫的最佳偏心率与载荷和转速无关，但受瓦块长度和宽度变化的影响；在橡胶垫尺寸和材料不变的情况下增大瓦长，橡胶垫的径向和周向最佳偏心率分别减小和增大；增大瓦宽，径向和周向最佳偏心率分别增大和减小；同时增大瓦长和瓦宽，但保持瓦块长宽比不变，径向和周向最佳偏心率都增大。橡胶垫在最佳偏心率范围内取值时，计算的水膜厚度在周向和径向的膜厚比也在它们的最佳值范围内，分别为1.3～1.4和0.12～0.20。研究方法和结果对设计橡胶垫支撑的弹支可倾瓦推力轴承有指导意义。

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剪切稀化对径向滑动轴承润滑特性的影响

裴世源, 郑文斌, 洪军

机械工程学报. 2020, 56(1): 100-109. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.100

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为研究润滑油的剪切稀化效应对径向滑动轴承性能的影响，考虑剪切稀化、紊流、质量守恒边界建立了轴承的热流体动力学润滑分析模型，采用有限元法求解了其润滑性能，通过对比理论与试验结果验证了理论分析模型的正确性，分析了不同转速、载荷和进油温度下剪切稀化对轴承润滑性能的影响规律（油膜厚度、油膜压力、温升、功耗、流量等），探讨了温度计算模型对剪切稀化效应的适用性。结果发现，剪切稀化效应对轴承润滑特性具有重要影响，其作用强弱与载荷和转速等条件强烈相关；轻载工况剪切稀化对轴承润滑特性体现为正面作用，重载工况体现为负面作用；发现温度计算模型对选用不当和定偏心计算是造成功耗等理论计算结果与试验之间存在较大偏差的两个主要原因。最后给出了工程上选用具有剪切稀化效应润滑油的适用工况与条件。

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分子动力学模拟环烷烃含碳量对边界润滑的影响

潘伶, 鲁石平, 陈有宏, 余辉

机械工程学报. 2020, 56(1): 110-118. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.110

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研究了四种不同含碳量的环烷烃润滑膜在不同负载下的边界润滑行为。建立具有正弦曲面凸峰的粗糙面边界润滑系统模型，采用分子动力学模拟了四种润滑膜分别在25～500 MPa的四种负载下沿膜厚方向的密度分布。在系统的上、下固体壁面施加方向相反的剪切速度，计算出壁面原子的应力、固液界面摩擦力、正压力和摩擦因数。试验测量了环己烷油膜的摩擦因数。结果表明，分子含碳量不同的四种环烷烃润滑剂均出现分层现象，随着润滑剂分子含碳量的增加，密度分布曲线中间区域的波谷值越高，层间的原子数越多，分层越不明显；润滑剂分子含碳量越大，承载能力越高；环己烷和环十二烷润滑膜在50 MPa时相继破裂，环二十四烷润滑膜在100 MPa时破裂，环四十八烷润滑油膜承载能力超过500 MPa；模拟计算边界润滑状态下环己烷油膜的摩擦因数，符合试验测量值。

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N-1型多面体夹芯结构体胞演化机理与性能正向设计

冯毅雄, 邱皓, 高一聪, 郑浩, 曾思远, 谭建荣

机械工程学报. 2020, 56(1): 119-131. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.119

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N-1型多面体夹芯结构是一种新型的三明治类夹芯结构，具有比强度高、耐热性好、抗冲击等特性。针对N-1型多面体夹芯结构性能优化过程中，由于设计机理不明导致设计空间复杂、优化计算量大、优化结果局部最优等问题，提出基于体胞演化机理的N-1型多面体夹芯结构剪切性能正向设计。对N-1型正则多面体体胞进行几何特征分析，定义基础体胞及演化基础圆，将N-1型正则多面体体胞分为相切体胞、外相交体胞和内相交体胞。提出基于演化基础圆和基础体胞的N-1型多面体体胞相似演化模式，揭示体胞平面拓扑到空间拓扑演化机理，通过求解演化参数可行域，建立体胞演化叠合成形窗口。分析演化参数及板厚对N-1型多面体夹芯结构剪切性能的影响，确定N-1型多面体夹芯结构剪切性能空间分布及优化空间域。在此基础上，建立基于Kriging近似技术的多面体夹芯结构剪切性能优化模型，正向优化得到剪切性能全局最优的N-1型多面体夹芯板。最后，通过与瓦楞夹芯结构比较，验证了该结构的可靠性，为设计正则多面体夹芯结构提供理论依据。

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基于t分布邻域嵌入与XGBoost的刀具多工况磨损评估

李亚, 黄亦翔, 赵路杰, 刘成良

机械工程学报. 2020, 56(1): 132-140. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.132

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刀具磨损的在线检测是未来自动化生产的必备功能，良好的评估模型可以有效地提高加工质量，降低经济损失。在现有研究基础上，提出了一种优化的刀具磨损评估方法，该方法综合使用了刀具切削过程中主轴的电流信号与振动信号，改善了单信号分析的不足。对采集到的信号提取时域、频域以及小波包特征，尽可能全面地提取了信号的有效信息。采用t分布邻域嵌入算法对特征进行降维，并使用K-means算法将多种不同的工况根据特征进行聚类，进一步提高了模型预测的准确率和泛化能力。最后使用XGBoost集成学习算法作为评估器，采用回归和分类两种方式对该模型进行评价。结果表明，样本不平衡问题对XGBoost算法的影响较小，和随机森林等传统集成学习算法相比，XGBoost在预测精度上有明显提升，在预测时间上减少一个数量级，是一种更为准确高效的刀具磨损检测算法，可以广泛地在工业上进行应用。

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冷金属过渡电弧增材制造多道搭接工艺研究

方学伟, 白浩, 姚云飞, 张丽娟, 卢秉恒

机械工程学报. 2020, 56(1): 141-147. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.141

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基于冷金属过渡（CMT）电弧增材制造技术，以2319铝合金为堆积材料，恒定送丝速度与不同焊接速度得到6组单层焊道，分别采用标准曲线对单层焊道截面轮廓进行拟合，结果表明抛物线和圆弧曲线的拟合效果均较好。在损失较小模型精度的情况下简化搭接模型，基于抛物线曲线建立单层多道斜顶搭接模型，理论推导最优搭接间距为0.715倍单道宽度。为了验证模型的正确性，采用不同搭接间距成形单层两道进行试验验证，并将其与传统的平顶搭接模型进行对比。试验结果表明斜顶模型更加符合CMT电弧增材制造工艺过程。当搭接间距确定后，研究表明当单层焊道成形高度降低时，搭接表面不平度随之减小，有利于后续多层多道堆积成形。基于优化后的搭接参数，成形多层多道样件，成形形貌良好，三个方向的拉伸力学性能表现出各向异性。

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基于改进BP神经网络面向STEP-NC 2.5D制造特征的智能宏观工艺规划

张禹, 李东升, 董小野, 王志伟, 杨树华, 巩亚东

机械工程学报. 2020, 56(1): 148-156. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.148

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智能工艺规划是实现智能制造的关键技术。面向新型NC编程数据接口国际标准STEP-NC （STEP-compliant numerical control，STEP-NC），一种基于改进BP神经网络面向STEP-NC 2.5D制造特征的智能宏观工艺规划方法被提出。在该方法中，用于STEP-NC 2.5D制造特征加工操作方法决策的集成BP神经网络模型首先被建立。考虑到BP神经网络容易陷入局部最优和收敛速度慢，将混沌算法、遗传算法和BP神经网络算法相结合得到用于加工操作方法决策的改进的BP神经网络。在此基础上，将零件的加工信息归一化处理后输入到改进的神经网络中，进而实现了STEP-NC 2.5D制造特征加工操作方法的智能生成。最后，通过实例验证了该方法的有效性和可行性。

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PM流量控制器参数对液体静压导轨运动精度影响的研究

施晨淳, 王振忠, 彭云峰, 李陈磊, 孔刘伟

机械工程学报. 2020, 56(1): 157-165. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.157

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液体静压导轨在超精密机床中广泛应用，其运动误差直接影响被加工件表面精度，因此，针对液体静压导轨运动精度的研究并不少见。然而，上述研究涉及的建模方法都具有一定的简化处理，并且少有考虑恒压式液体静压导轨中关键元件节流器的影响作用。基于运动学理论，直接建立四油垫闭式液体静压导轨准静态理论模型，研究PM流量控制器参数对运动精度的影响。分析表明，该节流器三个关键参数不影响运动误差曲线波峰波谷的出现位置，但会影响运动误差的波动程度和PV值。通过油膜反力波动分析可以解释运动误差变化机理，油膜反力波动越剧烈，运动误差变化也越显著。相对于其他两个参数比流量Kr和供油压力Ps，初始流量Q0对运动精度的影响较为显著。研究工作旨在为PM流量控制器关键参数的选取提供理论参考。

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数控机床几何精度设计指标确定方法研究

王丽娜, 田文杰, 张大卫, 高卫国

机械工程学报. 2020, 56(1): 166-174. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.166

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针对数控机床几何精度设计过程中整机精度设计指标难于合理确定的问题，提出一种基于待加工试件公差指标反演机床刀具工件间相对位姿误差允许变动范围的方法。该方法首先建立试件单一公差项与机床位姿误差之间的约束关系模型，即为满足试件单一公差要求，机床刀具工件间相对位姿误差需要被控制在何种范围内，然后将所有公差项对应的变动范围求交集即可得到机床位姿误差的允许变动范围，并作为整机精度设计的设计指标，用于机床零部件公差分配。推导了常用公差项对应的位姿误差变动范围的求解方法，并以机床精度检验标准中轮廓加工试件为例，阐述了所提方法的应用过程。

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脱附性医用高频电刀的研究现状及发展趋势

陆龙生, 李凯凯, 谢颖熙, 万珍平, 丁焕文, 张志辉, 汤勇

机械工程学报. 2020, 56(1): 175-186. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.175

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医用高频电刀通过刀头尖端电弧放电并产生热量完成组织的切割和止血工作，是外科手术中的重要工具。在手术过程中，高频电刀温度过高会使血液和软组织脱水结痂甚至炭化，粘连并包覆刀头，进而对手术过程和医疗效果产生严重影响。为能够有效解决医用高频电刀表面的生物组织粘连问题，国内外诸多学者开展了电刀表面的脱附性研究，具有明显疏血、散热降温、抗组织粘附等效果的仿生脱附性医用高频电刀已成为该领域的研究热点和重要发展方向。按照现有脱附性医用高频电刀的结构特点进行归纳分类并详细介绍其研究和应用现状，着重介绍和分析仿生高频电刀的动植物脱附模型，总结国内外关于高频电刀表面脱附结构或涂层的制造方法，分析讨论目前脱附性医用高频电刀所存在的问题，最后对其未来的发展趋势进行展望。

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超低温加工机床的液氮冷却介质可靠传输与精准调控

王永青, 韩灵生, 刘阔, 刘海波, 班仔优, 郭东明

机械工程学报. 2020, 56(1): 187-195. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.187

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超低温冷却加工是一种以钛合金、复合材料为代表的难加工材料高质高效加工方法。刀具中内喷式冷却是将液氮通过主轴和刀柄的内腔通道引导至刀尖处。与刀具外喷淋冷却相比，内喷方式对切削区域及刀具的冷却更加充分。常规机床主轴和刀柄无法实现液氮传输功能，其材料和结构更不能满足超低温隔热与动密封要求。为解决机床结构中液氮因汽化和泄漏导致相态、流量、压力等传输特征稳定性差、不可控的难题，提出基于定向导引与热阻强化的隔热方法，建立唇形密封在超低温介质下的接触应力模型，提出局限空间内的超低温动密封方法，研制保障液氮可靠传输的中空隔热主轴-刀柄；揭示热交换与两相流压降对液氮传输稳定性的影响机理，构建液氮射流状态精准调控系统。开发国内首台液氮内喷式超低温加工机床，开展液氮传输调控试验与钛合金切削试验，结果表明：主轴隔热、密封性能良好，液氮传输状态稳定且调控精准度高，超低温加工表面粗糙度较干切削降低约50%，冷却效果显著。

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GelMA复合凝胶的挤出式3D打印工艺及其性能研究

顾恒, 连芩, 王慧超, 李涤尘, 靳国瑞, 崔滨

机械工程学报. 2020, 56(1): 196-204. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.196

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甲基丙烯酸酐明胶（Methacrylated gelatin，GelMA）是具有光敏官能团的改性明胶，有良好的生物相容性，广泛用于构建皮肤、神经等软组织支架。然而，光照交联单一成分的GelMA，其力学性能和结构维持性较差，难以通过挤出3D打印成形生物支架。提出一种适用于挤出式打印且力学性能增强的GelMA复合凝胶，其主要成分为GelMA、明胶和海藻酸钠。黏度测试试验筛选出适合挤出3D打印的复合材料配比，3D打印工艺试验研究和分析了打印气压、喷头移动速度、喷头高度、光照条件对挤出连续性和微丝直径的影响。当喷头内径为200 μm时，GelMA复合凝胶实现顺畅出丝（φ293～1 211 μm）的条件为气压在0.05～0.25 MPa，打印速度为1～15 mm/s，喷头高度为200～600 μm，光照强度为70～272.56 mW/cm²。拉伸试验表明光照交联后，复合凝胶较之同浓度GelMA（5%，w/v）的弹性模量提高近1倍，伸长率保持一致。细胞培养试验显示GelMA复合凝胶具有良好的生物相容性，包埋在其内部的人真皮成纤维细胞培养至第7天时存活率达85%。

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不锈钢微孔超声空化辅助钻削试验研究

梁志强, 马悦, 聂倩倩, 王西彬, 周天丰, 郭海新, 李玉, 陈建军

机械工程学报. 2020, 56(1): 205-212. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.205

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针对难加工材料微细钻削过程中排屑困难及微孔加工质量差的问题，提出微孔超声空化辅助钻削方法，分析了超声空化作用机理。通过高速摄像机观测超声空化过程，发现变幅杆端面形成了锥型空化区域，其作用范围达到10 mm以上。分别进行直径3 mm和0.5 mm的树脂工件空化钻削试验，发现超声空化效应均显著改善了切屑对刀具的黏附和缠绕现象。进一步进行了不同转速下不锈钢微孔超声空化钻削试验，利用激光扫描显微镜对微孔入口形貌、圆度、孔壁形貌和表面粗糙度进行检测。与普通钻削相比，超声空化钻削的孔径误差降低了8.5%～15.6%，入口圆度误差降低了20.0%～37.8%，孔壁粗糙度降低了12.7%～18.6%。结果表明，超声空化效应能够有效提高微孔钻削的加工质量和精度。

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高孔率泡沫金属的孔结构保形铣削加工研究

周伟, 刘阳旭, 褚旭阳, 陈露

机械工程学报. 2020, 56(1): 213-222. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.213

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为避免高孔率泡沫金属的孔结构在加工过程中变形，提出一种利用填充材料进行泡沫金属固化后再进行孔结构保形铣削加工的新方法。首先对不同填充材料的泡沫铜进行铣削加工试验，然后利用SEM图进行表面形貌分析，选用孔径保形率、孔嵴保形率以及透气性来评价泡沫金属铣削加工的保形效果。基于中心组合试验，以孔径大小和0.7 kPa压力下的流量值为指标，建立二次回归方程并计算出在选定填充材料条件下的泡沫铜的优化加工参数。研究结果表明，以氢化松香-硬脂酸钠按质量比4：1混合的固化填充材料可以使得泡沫铜在铣削加工过程中获得较好的保形效果。孔径保形率、孔嵴保形率以及透气性性能均随主轴转速、进给速度呈先增加后降低的趋势。同时，在选择优化填充材料的条件下，主轴转速为311 r/min，进给速度为165 mm/min时，铣削加工泡沫铜具有较好的保形效果，其孔径保形率可达96.3%，且在0.7 kPa的压力下，流量值达7.36 L/min，具有较好透气性，实现了具有较好保形效果的泡沫铜的铣削加工过程。

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激光-电化学沉积制备超疏水铜表面及其Cassie状态稳定性研究

顾秦铭, 张朝阳, 周晖, 张凯峰, 徐坤, 朱浩

机械工程学报. 2020, 56(1): 223-232. https://doi.org/10.3901/JME.2020.01.223

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目前已有大量研究关注超疏水表面的制备方法，但金属表面微纳米复合结构对Cassie状态稳定性影响的研究还相对较少。采用激光-电化学沉积连续加工方法，在铜表面制备出具有丰富纳米镍棱锥的微纳米复合结构。改变激光扫描间隙，铜样品得到不同尺寸的微米结构，在常温（25℃）和低温（5℃）下表现出不同的润湿性。激光扫描间隙相当于激光光斑直径时，超疏水表面在常温和低温下的接触角均达到最大值，分别为161°和151°，滚动角均达到最小值，分别为1°和5°。此时，液滴冲击试验下的Cassie状态最稳定，样品表面有3、4次完整的回弹过程。冷凝试验表明，稳定的Cassie状态与表面微纳米复合结构有关。丰富的纳米结构能使冷凝微液滴从表面跳开，且激光扫描间隙相当于光斑直径时，均匀、紧密分布的微米结构小于液滴跳跃的临界尺寸，具有更稳定的Cassie状态。本研究提供一种高效制备微纳米复合结构的超疏水铜表面的方法，并讨论其表面Cassie状态的稳定性。

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2020年, 第56卷, 第1期　
刊出日期：2020-01-05

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