机械工程学报

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杨廷力, 沈惠平, 刘安心, 杭鲁滨

机械工程学报. 2020, 56(3): 1-15. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.001

摘要 ( 325 ) PDF全文 ( 34 )

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机构拓扑学的核心内容包括：基于非逻辑思维提出的基本概念（拓扑结构、运动特征等），由基本概念导出的机构拓扑学基本公式，以及由逻辑推理提出的拓扑综合方法。基本概念及其数学表示，是引入/建立机构拓扑学可运算数学方法的依据（对螺旋理论与线性变换两种方法，是引入了线性运算方法；对位移子群方法，是建立了非线性符号运算方法；对方位特征集方法，是建立了线性符号运算方法）；机构拓扑学的基本概念、基本公式和拓扑综合方法的主要特点具有对应性（由于螺旋理论与线性变换的线性运算与运动位置有关，又与定坐标系有关，结构综合得到瞬时机构，需进行非瞬时性判定；由于位移子群的非线性符号运算与运动位置无关，可得到非瞬时机构，但与定坐标系有关，且未能涵盖子流形机构；由于方位特征集的线性符号运算与运动位置无关，可得到非瞬时机构，又由于与定坐标系无关，得到机构存在的几何条件具有一般性）。总之，基于螺旋理论、线性变换与位移子群的三种方法都与定坐标系有关，属于代数学方法，而基于方位特征集的方法与定坐标系无关，属于内蕴几何学方法。因此，由非逻辑思维提出的基本概念及其数学表示是建立原创性机构拓扑学系统理论与方法的基石。

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人机安全交互技术研究进展及发展趋势

贾计东, 张明路

机械工程学报. 2020, 56(3): 16-30. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.016

摘要 ( 505 ) PDF全文 ( 2506 )

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人机共融作为未来生活、智能工厂等方面焦点问题，承载着新型工业体系构建以及衡量国家科技创新水平的重担。聚焦人机安全交互关键技术，围绕共融机器人结构设计、柔顺控制、环境感知、行为学习及决策等层面全面总结了当前研究进展，系统梳理了热点难点问题，归纳了现阶段人机安全交互实现方法，并对未来发展航向做出了展望。研究旨在通过抛砖引玉，加深共性关键技术理解，促进相关学科领域全面发展。

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非对称3-PRS机构运动等效机构演化及约束性能对比分析

胡波, 施东生, 史艳国, 张达, 叶妮佳

机械工程学报. 2020, 56(3): 31-40. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.031

摘要 ( 178 ) PDF全文 ( 11 )

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少自由度并联机构存在运动等效机构，表现为多种结构不同的机构运动学完全相同而性能各异，从具有运动等效特性的一组机构中遴选出性能优异的机型具有重要意义。基于运动等效机构的演化机理导出了一种非对称3-PRS机构的三种无过约束和三种含过约束的运动等效机构。基于运动/力传递指标对非对称3-PRS机构及其运动等效机构进行了优化设计，得到了优化尺寸区域。针对非对称3-PRS机构及其运动等效机构运动学相同而约束不同导致机构约束性能各异的特点，建立了此类机构的约束性能指标，在运动/力传递性能优化尺寸下，绘制了各机构的约束性能图谱，求解了各机构的全局约束指标，完成了此类机构的约束性能对比研究，实现了非对称3-PRS机构及其运动等效机构兼顾传递和约束性能的机构优选。

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基于构件-构件邻接矩阵的含复铰运动链描述与同构判定

孙伟, 孔建益, 王兴东, 侯宇

机械工程学报. 2020, 56(3): 41-46. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.041

摘要 ( 154 ) PDF全文 ( 38 )

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在运动链型综合过程中，运动链的同构判定是重要且复杂的问题之一。提出了一种基于构件-构件邻接矩阵的改进Hamming数同构判定新方法。针对运动链中复合铰链难以分析和识别问题，提出了一种构件-构件邻接矩阵的含有复铰运动链描述方法。该矩阵包含运动链的拓扑结构信息，具有描述的唯一性。定义改进Hamming数原理，并采用提出的改进Hamming数新方法对运动链进行同构判定。案例证明了该新方法的准确性和高效性。

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手指关节可独立控制的欠驱动灵巧手

刘今越, 赵睿, 贾晓辉, 郭士杰, 武晓峰, 顾建军

机械工程学报. 2020, 56(3): 47-55. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.047

摘要 ( 184 ) PDF全文 ( 23 )

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为了实现对物体的精准抓取，针对欠驱动灵巧手手指关节转动不可控问题提出一种新颖的关节可锁紧的单腱欠驱动灵巧手的设计方案，完成了灵巧手关节锁紧机构和指间耦合机构的结构设计，并运用Matlab对灵巧手手指工作空间进行仿真。对关节锁紧机构和指间耦合机构动作起到关键作用的耦合弹簧和复位弹簧进行了设计，对影响关节驱动力矩的参数优化分析，得到优化后的手指传动机构和腱绳张紧机构。通过灵巧手样机对不同形状、大小物体的抓握试验，证明本欠驱动灵巧手可实现手指关节锁紧的动作，具有良好的包络抓握能力和较强的精确抓取能力。

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大负载气动软体末端执行器的设计与分析

李海利, 姚建涛, 张泰铭, 周盼, 柳春烨, 陈新博

机械工程学报. 2020, 56(3): 56-63. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.056

摘要 ( 321 ) PDF全文 ( 30 )

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软体末端执行器是软体机器人领域最具有发展潜力的研究方向之一，但由于软体材料本身的固有性质以及设计与制造技术手段的限制，其普遍存在负载能力低的不足，这也成为了软体末端向多领域拓展所必须解决的难题。基于纤维增强型软体驱动器及其布局优化方法，提出了一种大负载气动软体末端执行器，在结构上采用了单根气动人工肌肉缠绕布局的新型抓持体构造方法，在抓取原理上采用了封闭内腔收缩包裹的方式，在控制上通过充气和放气两个开关动作便可实现目标的抓取和释放。其融合了大力型软体驱动器与封闭结构的双重特性，充分发挥了编织网型气动人工肌肉收缩力大和软体封闭保持体受力稳定性好的优点，大幅度提升了气动软体执行器的抓取力。试验证明所提出的大负载软体末端能够自动适应不同形状和材料的物体，负载能力可达到30 kg，是其自重的40多倍。研究成果为大负载软体末端的研制提供了新思路、新方法，有望从实验室进入实际应用领域。

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可变环境下仿人机器人智能姿态控制

施群, 吕雷, 谢家骏

机械工程学报. 2020, 56(3): 64-72. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.064

摘要 ( 267 ) PDF全文 ( 22 )

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为了解决仿人机器人运动控制精度和运动稳定性差等问题，提出智能运动姿态控制算法。将连续动作和连续状态空间的深度强化学习应用于姿态控制，建立机器人运动智能姿态控制器。并针对物理样机训练样本少、效率低等问题，提出使用机器人辨识模型对姿态控制器进行离线的预训练，作为真实物理环境下继续学习提升的先验知识，提高了后期训练效率。将优化后的机器人姿态控制器用于机器人的运动控制中，分别和加入PID控制器、MPC控制器、以及PID+MPC控制器的机器人运动相比，在环境过渡步行试验中机器人上身俯仰姿态轨迹跟踪残差标准差分别减少60.97%，46.36%，23.98%，在平地障碍物步行试验中机器人上身俯仰姿态轨迹跟踪残差标准差分别减少60.38%，26.38%，9.52%。

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基于TMD-HMD的海上浮式风力机主被动综合振动控制

贺尓铭, 熊波, 杨佳佳

机械工程学报. 2020, 56(3): 73-79. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.073

摘要 ( 355 ) PDF全文 ( 28 )

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在恶劣的海洋环境中，随机风浪载荷使风机平台和塔顶产生较大的振动位移，严重威胁风机结构的安全性。为此提出TMD-HMD主被动综合控制方法对海上浮式风力机进行振动控制，在Spar式浮动风力机平台内放置多个调谐质量阻尼器，构成多重调谐质量阻尼器（Multiple tuned mass damper，MTMD），在机舱内放置一个调谐质量阻尼器（Tuned mass damper，TMD）。首先基于欧拉-拉格朗日能量方程建立了风机系统11自由度空间动力学简化模型，利用Levenberg-Marquardt算法估计平台的刚度和阻尼参数，并通过与美国可再生实验室开发的FAST全耦合模型对比验证了模型的正确性；然后采用Van-Nguyen Dinh的方法优化了TMD的参数；接着在机舱TMD上施加主动控制力形成混合质量阻尼器（Hybrid mass damper，HMD），与平台TMD共同构成TMD-HMD综合振动控制系统，其中主动控制力通过线性二次型控制（Linear quadratic regulator，LQR）获得，LQR中的权重系数Q和R采用穷举法优化；最后在风浪联合载荷下分别研究了TMD被动控制和TMD-HMD主被动综合控制对风机动态响应的抑制效果。结果表明：与单独TMD被动控制相比，TMD-HMD主被动综合控制对风机平台纵摇角和塔顶纵向位移的抑制效果分别提高了约38%和20%，使其振动能量分别减少了72%和40%。

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基于自适应广义解调变换的滚动轴承时变非平稳故障特征提取

赵德尊, 王天杨, 褚福磊

机械工程学报. 2020, 56(3): 80-87. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.080

摘要 ( 256 ) PDF全文 ( 17 )

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变转速运行工况下滚动轴承故障冲击幅值与故障冲击间隔表现为时变性。现有的研究主要集中于解决时变冲击间隔带来的频谱模糊问题，鲜有对时变冲击幅值问题的探究。低转速下，故障冲击幅值较小，容易淹没在噪声中，给轴承故障诊断带来困难。据此，提出了基于自适应广义解调变换（Generalized demodulation transform，GDT）的滚动轴承时变非平稳故障特征提取方法。定义了重置准则优化GDT，使其转换因子可调、重置因子最优，时变的故障相关的频率曲线自适应的聚集于最高点，而非起始点。从故障轴承振动信号的高频共振成分的包络时频谱中提取时频脊线，结合假设思想构建了广义特征指标（Generalized characteristic index，GCI）模型。基于自适应GDT实现故障相关时频脊线的平稳化重置，进而通过频谱量化表征与GCI模型无需转速测量完成轴承故障诊断。仿真和实测信号分析结果表明所提方法的有效性。

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单双滚柱包络环面蜗杆传动的理论与试验研究

邓星桥, 王杰, 王世松, 王仕可, 何舸, 刘宇澄

机械工程学报. 2020, 56(3): 88-95. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.088

摘要 ( 151 ) PDF全文 ( 39 )

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滚子包络蜗杆传动作为一种新型传动装置，在机器人关节、包装生产线、数控机床回转中心等领域已逐步得到应用，但对经典的单、双滚柱传动的相关原理却未建有统一的分析理论。针对这一问题，基于齿轮啮合原理和空间啮合理论，首次构建了统一的单双滚柱包络环面蜗杆传动的啮合方程、诱导法曲率、润滑角、滚柱自转角、卷吸速度、螺旋升角、接触线方程等，并利用Matlab软件进行了数值分析研究，从理论上阐释了单滚柱包络环面蜗杆传动与双滚柱包络环面蜗杆传动这两种主要滚柱包络蜗杆传动在传动原理、传动性能等方面的差异，进一步地对单双滚柱做了传动效率试验。研究结果表明：未发现两者之间在传动效率上有较大差异，单滚柱包络环面蜗杆传动在单纯考虑上述各关键技术指标时要较双滚柱包络环面蜗杆传动具备更多优势，且在加工制造、安装调试等方面更简单，但当涉及消除齿侧间隙的功能时，双滚柱包络环面蜗杆传动具备更好的自动调节优势，此研究为推动滚柱包络环面蜗杆传动的应用与提升其相关性能指标奠定了理论基础。

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大齿宽齿轮耦合转子系统准静态接触分析及动态特性

袁冰, 常山, 刘更, 刘岚, 曹晓梅

机械工程学报. 2020, 56(3): 96-105. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.096

摘要 ( 161 ) PDF全文 ( 10 )

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将大齿宽齿轮沿齿宽方向进行切片并构建一系列非线性接触单元，根据各接触单元在转子上的位置将其与Timoshenko梁单元相耦合，建立了一种齿轮耦合转子系统多点啮合准静态接触分析模型，并首次提出了齿轮副广义传递误差的概念。通过求解静力学平衡方程组，得到齿轮副啮合错位量分布和齿面载荷分布。将齿轮副动态啮合激励引入系统动力学模型，求解考虑转子系统变形的齿轮系统动态响应。通过与有限元计算结果对比，验证了准静态接触模型的有效性。分析了支承布局形式、功率传递路径和负载扭矩对系统准静态及动态特性的影响。研究表明：不同支承布局形式下齿面接触状态和系统动态特性差异明显。不同功率传递路径下系统准静态和动态特性非常接近。不同负载扭矩下齿面接触状态非常接近，然而，随着负载扭矩的增加，啮合错位量逐渐增大，系统振动逐渐增强。

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含润滑间隙和曲轴转子-轴承结构的平面柔性多连杆机构多体动力学建模与动态误差分析

郑恩来, 储磊, 蒋书运, 朱松青, 康敏, 史金飞

机械工程学报. 2020, 56(3): 106-120. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.106

摘要 ( 131 ) PDF全文 ( 12 )

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为预测多连杆高速精密压力机的动态精度，有必要建立多连杆机构的动力学模型。传统模型仅考虑间隙和构件柔性等因素，通常忽略了曲轴转子-轴承系统结构的影响，导致多连杆高速精密压力机的动态分析精度下降。本文提出了一种含润滑间隙和曲轴转子-轴承结构平面柔性多连杆机构多体动力学建模与仿真方法并构建了滑块与曲轴两者之间的动态尺寸链，该方法同时考虑了间隙，连杆和曲轴的柔性以及轴承的刚度等因素。仿真结果表明，在空载和冲裁两种工况下，基于含润滑间隙和曲轴转子-轴承结构平面柔性多连杆机构多体动力学模型的动态响应比传统模型更接近实验结果，验证了所提出方法的有效性。实验结果表明，在空载工况下，滑块在下死点位置存在剧烈加速度波动，而冲裁工况下，滑块在下死点位置产生冲击峰。曲轴转子-轴承结构的存在加剧了滑块位移偏离误差，润滑油的存在对整个机构起到了缓冲作用，但并不能显著提高滑块的运动精度。下滑块与连杆之间运动副间隙处润滑油膜不足以抵消运动副元素之间的碰撞和冲击，导致润滑油膜在运行过程中破裂，销轴与轴承衬套之间只存在一种永久接触状态。此外，研究了间隙尺寸、打击力以及轴承的接触角对机构动态误差的影响规律。

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基于量化状态系统的柔性关节机器人动力学求解方法

李志华, 吴晨佳, 江德, 樊志华, 倪敬

机械工程学报. 2020, 56(3): 121-129. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.121

摘要 ( 246 ) PDF全文 ( 165 )

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量化状态系统（Quantized state system，QSS）方法是一种新的数值积分方法，它与传统基于时间离散的积分方法不同，QSS方法对状态变量进行离散，依次计算每次状态变量跃迁所需要的时间，从而推进积分。针对柔性关节机器人动力学刚性方程的求解问题，提出一种基于量化状态系统的步进校正优化算法（Step correction optimization algorithm，SCOA）。它结合QSS方法及隐式算法中梯形积分法的思想，以有效提高动力学求解的精度和效率。通过对四自由度柔性关节机器人动力学刚性方程的仿真求解，证明了算法的可行性。将SCOA算法与传统数值积分方法和QSS方法从仿真效率与仿真精度两方面进行性能对比，结果表明，SCOA算法在保证仿真效率的同时能有效提高仿真精度，算法性能优于传统方法和QSS方法。

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摩擦纳米发电机表面织构的优化设计

杨潍旭, 王晓力, 陈平

机械工程学报. 2020, 56(3): 130-136. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.130

摘要 ( 196 ) PDF全文 ( 20 )

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摩擦纳米发电机是基于自驱动纳米技术并以接触/摩擦起电和静电感应为基础的微/纳机电动力系统，提高其起电性能的有效手段之一是将微/纳织构制备在接触界面上。采用理论与试验相结合的方法开展摩擦纳米发电机表面织构的优化设计研究。建立摩擦纳米发电机织构界面黏附接触模型，探讨外载荷、织构面密度及宽度对摩擦纳米发电机起电性能的影响规律，获得不同外载荷下使摩擦纳米发电机起电性能最优的织构参数，并制备织构化摩擦纳米发电机，构建起电性能测试平台，试验验证摩擦纳米发电机最优织构的设计效果。结果表明：不同外载荷下使摩擦纳米发电机起电性能达到最优的织构参数不同；相比于织构宽度，织构面密度对于摩擦纳米发电机起电性能的影响更为显著；所构建的理论模型结果与试验结果具有较好的一致性，可为摩擦纳米发电机表面织构的设计提供理论指导。

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静压型机械密封中螺钉预紧调节机制的研究

何强, 王洪涛, 黄伟峰, 刘莹, 刘向锋, 李永健, 王玉明

机械工程学报. 2020, 56(3): 137-143. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.137

摘要 ( 187 ) PDF全文 ( 16 )

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螺钉预紧力大小是静压型机械密封中重要的设计参数，考虑密封组件之间的多体接触关系与O形圈副密封的影响，建立了静压型机械密封的热流固耦合计算模型（Thermal fluid-solid interaction，TFSI），根据密封环与环座之间接触关系的转变，分析研究了螺钉预紧力对密封性能的调节机制。结果表明，螺钉预紧力对密封性能有着显著的影响，预紧力增大使得泄漏率增大，但其影响规律与密封环与环座之间接触关系有着密切的联系，同时发现，动环和静环在密封中起着不同的功能，并且环座的结构及边界条件的不同是导致动、静环功能差异性的重要原因。

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迷宫密封临界稳定性研究

顾乾磊, 张万福, 陈璐琪, 马凯, 李春, 杨建刚

机械工程学报. 2020, 56(3): 144-151. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.144

摘要 ( 205 ) PDF全文 ( 18 )

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建立迷宫密封试验装置与数值分析模型，开展静态与动态稳定性分析，研究进口压力、转速及密封齿数对系统稳定性的影响，并以密封腔为单元对密封段转子受力进行分解，分析各密封腔对密封段转子整体切向气流力影响，提出“穿越齿数”与“临界稳定性”概念。研究表明：各密封腔对应转子切向气流力方向沿泄漏方向逐渐变化，并存在一个使切向气流力为零的穿越齿数。当密封齿数小于穿越齿数时，密封静态交叉刚度均为负值，且稳定性随转速与进口压力的提升而增加；当密封齿数大于穿越齿数时，密封静态交叉刚度均为正值，且稳定性随转速与进口压力的增加而降低；当齿数等于穿越齿数时系统处于临界稳定状态，切向气流力接近于零；转子涡动频率的增加将增大穿越齿数。

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考虑粗糙渗流效应的指尖密封总泄漏性能分析

赵海林, 陈国定, 苏华

机械工程学报. 2020, 56(3): 152-161. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.152

摘要 ( 178 ) PDF全文 ( 10 )

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指尖密封作为近年来一种新型密封技术，其泄漏性能一直是密封领域的研究热点。将流体通过指尖片表面粗糙接触界面微观空隙的泄漏视为指尖密封的侧隙泄漏，基于压力流量因子和哈根-泊肃叶定律构建了指尖密封侧隙多孔介质结构渗透率的计算方法，进而建立了基于多孔介质结构的指尖密封侧隙泄漏性能分析数值模型；然后计入指尖密封侧隙泄漏的影响，构建了考虑指尖密封侧隙泄漏和主流道泄漏的指尖密封总泄漏分析方法；最后在此基础上分析了指尖片表面形貌参数、指尖密封工况参数对指尖密封侧隙泄漏、主流道泄漏和总泄漏的影响，研究了指尖密封侧隙泄漏和主泄漏的权重比例。结果表明：指尖密封侧隙泄漏随着指尖片表面均方根粗糙度、指尖密封上下游压差的增加而增加；当指尖片表面纹理从横向纹理向纵向纹理变化时，指尖密封侧隙泄漏亦逐渐增加；当指尖片表面均方根粗糙度较大时，指尖密封侧隙泄漏在指尖密封总泄漏中占主要地位，当转子径向位移激励较大时，指尖密封主流道泄漏占主要地位。该研究有助于完善指尖密封泄漏分析理论体系，具有较高的学术价值和工程意义。

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无滑动摩擦容积泵的构造

马龙, 贺英, 周元峰, 张彩明

机械工程学报. 2020, 56(3): 162-168. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.162

摘要 ( 176 ) PDF全文 ( 16 )

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容积泵是一种通过改变密闭空间的容积来实现流体输送的泵。密闭空间容积的改变是通过围成它的机械部件之间的相对运动实现的。目前的容积泵无法避免这些机械部件之间的滑动摩擦。如果能设计出使用滚动摩擦代替所有滑动摩擦的结构，则可以让摩擦力大大减小，从而提高泵的效率和寿命。避免滑动摩擦的同时保证密封却是一个很有挑战性的几何设计问题。以正八面体为基本结构，通过在它的棱和面上放置特殊形状的转子和活塞，成功实现这种构造，并使用三维几何建模软件模拟了这种结构的工作过程。该工作不仅从理论上证实了无滑动摩擦的容积泵的可实现性，对高效率容积泵的设计也有着很强的应用价值。

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基于流变原理的柔性接触抛光材料去除模型综述

袁巨龙, 邵琦, 吕冰海, 赵萍, 王金虎

机械工程学报. 2020, 56(3): 169-180. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.169

摘要 ( 222 ) PDF全文 ( 16 )

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基于流变原理的柔性接触抛光是通过辅助场控制智能材料转变相态形成柔性抛光头进行加工的一类抛光，能够满足复杂形面零件所需的高形状精度和高表面完整性要求。材料去除函数能直观地反应抛光后工件表面轮廓，是实现工件材料确定性去除的关键。对当前具有代表性的柔性接触抛光方法如磁流变抛光、电流变抛光、磁射流抛光、剪切增稠抛光进行综述，阐述了基于不同理论建立的材料去除模型，分析了各个模型的主要影响参数，比较了各个模型的特点。对柔性接触抛光方法及其材料去除模型研究趋势进行预测。

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激光选区熔化钛铝合金裂纹形成机理及抑制研究

杨益, 党明珠, 李伟, 魏青松

机械工程学报. 2020, 56(3): 181-188. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.181

摘要 ( 408 ) PDF全文 ( 59 )

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裂纹是激光选区熔化成形TiAl合金时最常见、破坏性最大的一种缺陷。以Ti-47Al-2Cr-2Nb合金粉末为成形材料，利用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线能谱分析及残余应力检测等检测方法，研究SLM成形TiAl合金过程中裂纹的形成机理及抑制方法。研究结果表明：SLM成形TiAl合金的裂纹为冷裂纹，具有穿晶断裂的特征。由于SLM成形过程中的快速加热冷却，成形件内部残余应力高于材料的抗拉强度，导致了裂纹的形成。裂纹多起源于试样侧面边缘粉末黏结、缺口等缺陷存在的地方，此外，合金试样内部含有大量的α2脆性相及孔隙，也有利于裂纹产生和拓展。随着基板预热温度逐渐提升到300℃，一方面温度梯度减小使得材料热胀冷缩减弱，试样内部的残余应力由（267.2±13.4）MPa降低到（172.6±8.6）MPa；另一方面，预热导致β相稳定性提高，α2脆性相的含量减少，最终使得试样中的裂纹数量和尺寸明显得到控制，试样的相对致密度也由87.64%上升到93.84%。

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异种材料激光选区熔化界面结构强化机理研究

刘林青, 宋长辉, 杨永强, 翁昌威

机械工程学报. 2020, 56(3): 189-196. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.189

摘要 ( 242 ) PDF全文 ( 18 )

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为了将成形精度高、效率慢的激光选区熔化技术（Selective laser melting，SLM）应用于大型复杂结构件生产制造过程中，可在传统机加工基体上SLM成形精密复杂结构。然而不同材料、不同制造工艺的结构在界面处的结合性能制约着整体结构的性能。本研究在机加工制造的低成本Cr8Mo2SiV冷作模具钢上SLM成形18Ni300马氏体时效钢。通过金相显微镜、扫描电镜等对界面结合区域的组织结构以及成分分析，发现界面处增材结构（18Ni300）紧密镶嵌在基材结构（Cr8Mo2SiV）中，形成类似一种齿形镶嵌的结构。界面区域无宏观裂纹产生，表明SLM结构与基材达到良好的冶金结合。在界面区域观察到柱状晶穿过熔道边界外延生长，且界面元素有稍许扩散。分析表明，界面区域的齿形镶嵌结构以及柱状晶的外延生长形态有利于界面结构的结合强化。通过拉伸试验进行结合性能分析，发现整体复合结构拉伸件的断裂位置处于远离界面的基材处，且在界面区域得到明显强化效果，这为高效低成本制作复杂模具提供了有效方法。

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九轴联动叶片双刀对顶铣削的非线性误差分析与控制算法

宋冬冬, 薛飞, 赵万华, 卢秉恒

机械工程学报. 2020, 56(3): 197-206. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.197

摘要 ( 131 ) PDF全文 ( 11 )

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针对双刀对顶铣削线性插补过程中三个旋转运动引起切触点实际运动轨迹与理论规划轨迹不重合的现象，为了保证工件的表面加工质量，提出了减小双刀对顶铣削中非线性误差的轨迹优化算法。针对双刀具的位置约束关系，建立九轴联动机床的运动学同步转换模型。结合工件表面的几何特征，阐述了切触点间非线性误差的理论表征方法，并建立旋转轴引起非线性误差的简化计算模型；以双刀对顶铣削轨迹线上非线性误差和加工误差为优化目标，建立双刀对应切触点同步插值的优化模型。以典型汽轮机叶片双刀对铣加工为例，同步修正了双刀对应线性插补轨迹线上的切触点，仿真和试验结果显示，该方法有效减小了加工过程中的非线性误差，可提高叶片型面的加工精度。

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基于元胞自动机的冷轧工作辊表面形貌演变过程仿真与试验研究

李洪波, 夏春雨, 张杰, 孔宁

机械工程学报. 2020, 56(3): 207-215. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.207

摘要 ( 117 ) PDF全文 ( 8 )

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为掌握冷轧过程中毛化工作辊三维表面形貌的变化规律，建立了基于元胞自动机理论的冷轧工作辊三维表面形貌动态演变过程仿真分析模型，模型中工作辊表面黏着磨损量和磨粒磨损量分别采用Archard磨损理论和脆性断裂机制进行计算，磨粒的粒径由Monte Carlo方法随机选取，位置通过“打靶法”随机生成。以工业生产现场实际生产数据和表面形貌测试结果为依据，完成了轧制过程工作辊表面形貌变化过程的磨损试验，并利用试验数据验证了仿真模型的有效性和准确性。利用仿真模型对冷轧过程中工作辊三维表面形貌的幅度特性、空间特性、综合特性和功能特性进行了研究，清晰地揭示了轧制过程中工作辊三维表面形貌的演变过程，为进一步研究和控制工作辊表面形貌的磨损，以在轧制过程中更好地进行带钢表面形貌的控制提供了理论基础。

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聚醚醚酮熔融沉积成形强度工艺参数的优化

赵广宾, 秦勉, 刘雨, 曲晓丽, 丁铭超, 田磊, 刘亚雄, 田小永, 刘彦普

机械工程学报. 2020, 56(3): 216-222. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.216

摘要 ( 267 ) PDF全文 ( 25 )

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为了提高聚醚醚酮（Poly-ether-ether-ketone，PEEK）熔融沉积成形（Fused deposition modeling，FDM）强度，利用正交试验方法研究了FDM打印工艺参数与力学性能之间关系。对喷嘴温度、打印速度和填充角度等影响因素下PEEK样件的力学性能进行对比分析，研究现有条件下最优打印参数，提高成形质量。结果表明各个工艺参数对试验结果的影响程度不相同，影响最为明显的是喷嘴温度，其次是填充方式，打印速度对试验结果的影响较小。最佳工艺参数组合为：喷嘴温度420℃，打印速度10mm·s^-1，填充方式0°。改善工艺参数后可提高PEEK成形件的强度，制造出的个性化假体的力学性能能够满足临床使用的要求。一例PEEK假体已经成功应用于临床，为其在临床上的广泛应用奠定基础。

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微切削条件下典型玻璃态合金Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆切削特性及其切屑生成机理研究

何耿煌, 李凌祥, 刘献礼, 姜涛, 邹建平

机械工程学报. 2020, 56(3): 223-232. https://doi.org/10.3901/JME.2020.03.223

摘要 ( 94 ) PDF全文 ( 13 )

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玻璃态合金是一种内部原子排列不存在长程有序的合金，由于具备高强韧性、耐腐蚀性以及优良的磁性而受到广泛应用。采用数值仿真结合引入绝热模型的研究方法对典型玻璃态合金Fe40Ni40P14B6切削过程的变形状态和切屑生成两方面进行分析，结果表明切削过程中初始绝热变形和周期性载荷促使切削区域形成局部剪切带而产生片层状切屑。采用微型PCD刀具在微切削条件下进行切削试验，借助无线测力系统采集切削过程中的载荷作用情况，并通过高速摄影机监测刀具工作状态。拾取切削过程中微型切屑样品，借助SEM观测分析切屑的亚微观形貌特征，试验结果与数值仿真结果相近，从而揭示微切削条件下玻璃态合金的切削特性及切屑形成机理。研究数据可为微型刀具的开发提供借鉴。

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刊出日期：2020-02-05
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