机械工程学报

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牛丽周, 丁亮, 高海波, 杨怀广, 苏杨, 李楠

机械工程学报. 2021, 57(19): 1-20. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.001

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软体足式机器人因其优越的移动性能及面对复杂地形的通过能力受到越来越多研究者的关注。由于受到材料性质、驱动方法及制造工艺等多方面的限制，如何实现软体足式机器人的创新结构设计，提升软体机器人的运动速度和负载能力是目前亟待解决的问题之一。综述从仿生结构与驱动方法的角度对目前软体足式机器人的研究发展进行了系统阐述。由于软体机器人多为连续变形结构，加之软材料的物理非线性和软结构变形的几何非线性，力学建模与仿真一直是软体机器人研究领域的瓶颈。梳理了目前软体机器人的主要建模理论，总结了软体机械臂的建模与控制方法，进一步将其拓展到软体足式机器人的系统建模中。介绍了传统商业软件的应用与物理仿真引擎开发的进展，分析了软体机器人虚拟仿真的主要方法，展望了软体足式机器人的应用场景与未来研究方向。

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滚动接触柔性连续体机器人的设计与运动能力分析

曹晟阁, 于靖军, 潘杰, 裴旭

机械工程学报. 2021, 57(19): 21-29. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.002

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针对航空原位检修领域对机器人在复杂、狭小空间的作业需求，基于滚动接触原理设计了一种新型的柔性连续体机器人，解决了连续体机器人轴向刚度需求与运动柔顺性之间的矛盾。对连续体机器人单元柔性关节和整体系统进行了详细分析，根据机器人的冗余自由度特点设计了主动运动与被动运动两种运动策略。对机器人单元关节的力学仿真结果表明，该柔性关节转动刚度适宜，轴向刚度较大。机器人长600 mm，最大弯曲角度大于360°，最小弯曲半径40 mm；实验结果表明该机器人运动柔顺，具备良好的环境自适应能力。

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TriMule与Tricept机器人刚度解析与比对

董成林, 岳巍, 刘海涛, 黄田, 肖聚亮

机械工程学报. 2021, 57(19): 30-38. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.003

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为分析比对TriMule机器人与Tricept机器人中两种1T2R并联机构的刚度性能，基于旋量理论，通过力/变形雅可比将支链层面的界面刚度矩阵映射为机构末端笛卡尔刚度矩阵，构造出二者的刚度半解析模型。在此基础上，结合两种1T2R并联机构为球坐标机构的构型特点，推导出二者在给定参考位形下切向线柔度特性各向同性条件的显式表达，并提出评价两种机构切向、法向柔度特性的局部与全域刚度性能评价指标。利用该模型，揭示出两种机构中主动与从动支链的夹角对局部和全域刚度性能的影响规律。研究结果表明，对于一组相同的尺度、结构和任务空间参数，两种机构的刚度性能相当，且其局部与全域刚度性能均是强线性相关的，进而可用前者准确地表征后者。

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基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计

何健, 何猛, 夏凉, 史铁林

机械工程学报. 2021, 57(19): 39-47. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.004

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基于双向渐进结构优化法提出一种面向柔性机构的拓扑优化设计策略。由于采用0/1离散拓扑设计变量和启发式变量更新机制，双向渐进结构优化法一般适用于结构刚度相关的凸优化设计问题。柔性机构以最大化驱动端的位移为设计目标，属于典型的非凸优化问题，难以直接应用该方法开展相应的设计。针对于此，通过定义一种由驱动位移和刚度特性（柔顺度）加权平均的优化目标函数，实现基于双向渐进结构优化法的柔性机构设计。该优化目标函数具有双重功效：（1）通过逐步（设计迭代步）衰减刚度特性的贡献，实现优化问题由刚度设计向驱动设计的动态演化，可应用双向渐进结构优化法开展机构的拓扑构型设计；（2）通过调节加权系数，实现对设计机构的驱动性能和刚度特性的灵活匹配调控，可有效抑制铰链的形成、防止应力集中引起的失效。典型算例的设计结果显示，提出的发展的演化式设计策略可实现稳健且高效的柔性机构设计。

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基于足端位置的六足机器人漫游地形感知与表征

张明路, 王哲, 李满宏, 张建华, 陈俊杰

机械工程学报. 2021, 57(19): 48-60. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.005

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未知复杂地形的精准感知与量化表征长期制约着六足机器人运动性能与作业效能的本质提升。针对传统基于外部传感的地形感知与表征方法普遍存在的感知范围局限、感知精度不足、表征效果欠佳等突出问题，研究借鉴足式生物地形感知机理，充分利用足端与地形交替离散接触特性，创新提出基于足端位置的六足机器人漫游地形感知与表征方法。通过构建时变机体坐标系下足端位置解算模型，解决漫游地形无序足端序列坐标高效求取难题。基于足端序列的周期化处理与矢量化描述，建立基于周期足端位置状态的局部地形量化表征方法，间接构建时变机体位姿与局部地形间周期映射关系。系统分析相邻周期机体位姿间耦合约束与变换机制，建立基于机体位姿变换的全局形貌拓扑重构方法，以连续精准机体位姿作为参照实现周期映射局部地形的拓扑拼接。样机实验结果表明，基于足端位置的六足机器人地形感知与表征方法相比传统方法能够在无需增设外部观测传感器件条件下较为精准合理的量化表征不同特征局部地形，并实现漫游地形全局形貌的精准拓扑重构。

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直线平夹自适应机器人手抓取分析与实验

罗超, 张文增, 王子越, 周杰

机械工程学报. 2021, 57(19): 61-69. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.006

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传统机器人手在平夹模式下，其手指末端的运动轨迹为圆弧，难以精确捏持薄板物体。针对传统机器人手的不足，设计一种可实现直线平夹精确捏持和自适应包络通用抓取的机器人手，分析了该机器人手的工作原理，结构组成，并且对机器人手抓取模式、平夹抓取最大抓取质量和自适应包络抓取特性进行分析，为优化机器人手设计提供依据。研制了机器人手样机，并在手指表面安置了压力传感器实时监测抓取过程中的受力情况，开展了定性抓取实验和定量测试实验，通过对传感器反馈数据进行分析，得出了机器人手在不同抓取模式、抓取不同特性物体时的受力情况，验证了机器人手抓取性能。

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基于动作基元的人臂达点运动模式

赵京, 王承运, 张自强, 龚世秋

机械工程学报. 2021, 57(19): 70-78. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.007

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为揭示人臂达点运动中人臂末端位置、姿态和自摆角的运动协调关系，实现机器人的深度仿人运动规划，对人臂达点运动的运动模式进行了研究。将人臂动作基元的排列与组合方式定义为人臂达点运动的运动模式，进行了3240次人臂达点运动实验数据采集与处理，分析了达点运动阶段和达点区域对运动模式的影响；提出了基于基元类型、次序变化、运动模式频率以及基元连接方式频率约束的运动模式相似度指标——复合约束相似度，并以此优选出了人臂达点运动的最优运动模式；基于这一运动模式，利用7自由度拟人机械臂复现了人臂的达点运动。

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基于人行走能耗分析的踝关节外骨骼设计

王存金, 董林杰, 李杰, 王兴松, 丁也

机械工程学报. 2021, 57(19): 79-92. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.008

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基于对人体行走的能耗分析，设计了一种新型有源无动力踝关节外骨骼。首先，基于耦合摆模型建立人体行走摆动相动力学方程并采用打靶法求解。根据动量守恒原理分别计算摆动腿膝关节锁定、脚跟着地以及关节摩擦引起的能耗率。计算结果表明，脚跟着地引起的能耗率远大于膝关节锁定和关节摩擦引起的能耗率。然后，基于该能耗分析结果设计了一种足底弹性储能机构将脚跟着地时的能耗存储起来，在跖屈蹬地阶段释放助力。通过前脚掌压力信号控制电磁铁驱动的离合机构，实现对助力弹簧夹紧与释放的状态切换。样机实验结果表明：足底储能机构可以提高外骨骼的输出力矩和功率，提升助行能力；外骨骼的最大输出力矩为19N·m；穿戴该外骨骼行走时小腿三头肌激活度相较于不穿戴时最大下降约8.6%。踝关节角度测量结果表明，在摆动相期间外骨骼很少干扰穿戴者踝关节的正常活动。

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基于修正Iwan模型的螺栓结合面非线性建模研究

李玲, 王晶晶, 史小辉, 仝美娟, 解妙霞

机械工程学报. 2021, 57(19): 93-101. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.009

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准确建立高保真的螺栓结合面非线性力学模型是分析高端装备的前提和基础。针对螺栓结合面的迟滞非线性力学问题，提出了一种修正Iwan模型的力学建模方法，使得传统唯象的Iwan模型各参数物理意义更加明确。首先，根据多尺度理论和数理统计方法，建立了具有连续光滑接触特性的结合面法向接触模型；然后，通过考虑动态和静态摩擦因数的差异并利用库仑摩擦定律，将修正后的Iwan唯象模型与具体的法向接触模型联系起来，提出了新的螺栓结合面切向响应模型；最后，基于Matlab仿真和已有的试验数据，验证了所建模型的正确性，并探究了加载条件、塑性指数和动静摩擦因数比对结合面接触特性的影响。研究表明：一个周期加、卸载的能量耗散是随着位移幅值的增加而递增；相比于塑性指数，动静摩擦因数比的改变对结合面切向载荷的影响更为显著，在后续研究中需重点考虑；微凸体临界滑移力分布受其他因素的影响主要体现在接触微凸体的数目、峰值点的位置以及曲线收敛速度的改变。

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基于解析弹性基础的重载轮胎动力学建模与分析

刘志浩, 刘钇汛, 高钦和, 黄通, 马栋

机械工程学报. 2021, 57(19): 102-112. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.010

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以重载大扁平比轮胎为研究对象，基于弹性基础的柔性胎体模型为基础，分别从大扁平比胎侧曲梁的刚度建模、基于解析弹性基础的轮胎动力学建模两方面开展研究。建立考虑预紧力弦效应和结构弯曲效应的大扁平比胎侧曲梁解析刚度模型，并研究胎侧曲梁非均匀截面特性和几何、结构参数对解析刚度的影响规律。结果表明：（1）重载轮胎在0～180 Hz范围以结构周向弯曲振动为主，与基于弹性基础的柔性梁模型一致；（2）大扁平比胎侧曲梁的解析刚度与胎侧的几何、结构和充气压力参数直接相关；（3）轮胎充气压力影响柔性胎体梁的轴向预紧力和胎侧的弦刚度，进而影响轮胎弯曲振动特性。

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考虑时变摩擦系数的微线段齿轮系统动态特性分析

熊杨寿, 韩广志, 黄康, 赵韩

机械工程学报. 2021, 57(19): 113-127. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.011

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结合微线段齿轮的啮合特性，将其啮合过程离散化，建立了微线段齿轮6自由度啮合耦合动力学模型，模型中考虑了时变摩擦系数、时变的基圆和压力角等非线性因素。采用数值积分法研究对比了渐开线齿轮和微线段齿轮在不同工况下的动力学响应，结合频谱图和分岔图分析了参数对微线段齿轮横向振动的影响以及摩擦系数对系统稳定性的影响，并通过试验对比微线段齿轮与渐开线齿轮在实际运转过程中的振动情况。结果表明，微线段齿轮相比渐开线齿轮振动更小，系统稳定性更好，在中高速重载下优势尤为明显。摩擦系数对于微线段齿轮的振幅影响较小，但是增大摩擦系数会使系统提前结束混沌响应。微线段齿轮箱在实际运转过程中的误差和振动更小，性能更好。

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高速板带轧机四列滚动轴承非均匀接触力学性能及修形优化研究

吝水林, 孙建亮, 彭艳

机械工程学报. 2021, 57(19): 128-137. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.012

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针对高速板带轧机四列滚子轴承在偏载运行下滚子-滚道非均匀接触力学性能及滚子修形优化进行研究。建立了滚子-滚道接触力学模型，模拟了其偏载运行下的接触力学性能。提出滚子接触应力均匀分布原则，采用非对称对数曲线对四列滚子母线修形优化。研究表明：偏载轧制导致四列滚子承载分布严重不均，以某冷轧机四列滚子轴承为例，载荷分布偏差较常规轧制增加20%，列间接触应力差接近200MPa，单列滚子轴线方向接触应力差接近60MPa。接触应力差随修形量k₃差值减小而减小，当k₃差值减小到一定程度时，接触应力差反而变大，最终修形曲线优化参数为k₁=1.3，k₂=1，k₃=0.014-0.011。研究为延长轴承使用寿命、保证轧机安全稳定运行提供理论依据，具有重要工程意义。

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含轴承间隙的转子非对称支承等效力学特性模拟分析方法

冯坤, 王旌硕, 左彦飞, 江志农

机械工程学报. 2021, 57(19): 138-146. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.013

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轴承间隙与支承非对称广泛存在于旋转机械系统中，是转子振动跳跃、偏移、反进动等复杂振动特性产生的主要影响因素。工程中对两者耦合影响下的复杂振动机理阐释不清，相关的等效力学模拟方法也各有局限。为此提出一种含轴承间隙的非对称支承结构等效力学特性模拟分析方法。通过支承结构的周向分解，解决了现有等效力学模拟方法难以同时模拟轴承间隙与支承非对称的问题。通过对典型发动机转子系统的分析对所提方法有效性进行了验证。结果显示轴承间隙与支承非对称共存时，系统会同时表现频率分离，振动跳跃与偏移现象，并且轴承间隙与支承非对称的影响相互耦合。所提模拟方法为工程中此类复杂振动问题产生机理的深入分析奠定了基础。

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比例电磁式主动吸振器的设计方法研究

傅涛, 上官文斌, 丁乙, RAKHEJA Subhash, AHMED Waizuddin

机械工程学报. 2021, 57(19): 147-154. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.014

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以电磁铁为作动器，开展了电磁式主动吸振器设计方法的研究。对主动吸振器电磁作动器进行了设计研究，针对基于E型电磁作动器的主动吸振器具有非对称驱动力的问题，设计了一种具有盘形磁极面的比例电磁作动器。采用有限元和试验验证的方法，对电磁作动器在不同磁极面结构参数组合下的电磁力进行了正交仿真计算和验证，以在一定的动铁心位移范围内电磁力波动最小为目标，获得了最优组合的磁极面结构参数。对主动吸振器动质量的动态位移进行了计算分析，并基于主动吸振器的工作频带和目标驱动力，设计了动铁心的静平衡位置。计算了主动吸振器设计刚度值，并分析了刚度参数对吸振器电磁力特性的影响。最后，结合理论计算和试验验证的方法，分析了比例电磁式主动吸振器近似对称的驱动力特性。

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Ease-off修形准双曲面齿轮齿面动态抗磨设计与分析

蒋进科, 刘钊, 刘红梅

机械工程学报. 2021, 57(19): 155-164. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.015

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为了改善准双曲面齿轮动态性能、减小齿面磨损提出齿面动态抗磨修形设计与分析方法。小轮修形齿面表示为共轭齿面与法向Ease-off曲面两个矢量的和，Ease-off曲面通过预置抛物线修形参数及几何传动误差参数表达。提出考虑磨损深度影响的齿面承载接触分析（Tooth contact analysis with wear，WLTCA）数值方法，该方法通过承载接触分析（Tooth contactanalysis，LTCA）方法获得啮合刚度及齿面静载荷，在此基础上根据动力学分析获得齿面动载荷，结合Archard磨损公式进一步获得齿面磨损量，将齿形更新时的同时啮合齿对的磨损量叠加到齿对的初始间隙，为磨损后的LTCA计算提供准确的参数，重复以上循环可得到齿形更新后齿面上任一点的磨损深度及次数。以无磨损时法向相对振动加速度均方根最小、齿面磨损量最小进行修形优化获得最优Ease-off曲面；分析齿面磨损与系统动态响应之间的耦合作用。结果表明最优Ease-off齿面主要通过齿廓修形减少了磨损量，有效改善了系统动态响应。该方法充分考虑了齿面修形、磨损、动态响应的耦合性且计算效率较高，为高性能准双曲面齿轮齿面抗磨、减振设计与分析提供理论参考。

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绿色制造的理论与技术体系及其新框架

刘培基, 刘飞, 王旭, 尹震飚, 曹华军, 李聪波

机械工程学报. 2021, 57(19): 165-179. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.016

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绿色制造相关研究已有20多年，有必要对绿色制造的内涵、理论与技术体系进行归纳总结，以支持绿色制造下一阶段的研究与发展。为此，在分析和总结绿色制造现有研究的基础之上，更新和完善了绿色制造的定义，提出由三个基础理论（新"三度"理论、资源主线理论以及生命周期理论）和六个主要特性组成的绿色制造理论体系，建立了由6R技术原则、三条技术主线、五类专项技术以及多项产品生命周期管理技术组成的绿色制造技术体系；最后，通过对绿色制造的根本问题、根本目标、根本途径、根本路线以及技术主线等进行梳理和总结，建立了绿色制造理论与技术体系的综合框架。

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楔形螺纹连接扭拉关系理论分析及拧紧特性

邓新建, 刘检华, 张忠伟, 巩浩

机械工程学报. 2021, 57(19): 180-191. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.017

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楔形锁紧螺母是一种应用广泛的防松结构，但是当前关于楔形螺纹连接的扭拉关系理论分析和拧紧特性因素分析的研究成果匮乏，导致楔形锁紧螺母的安装工艺一直缺少理论指导。首次建立并验证了楔形锁紧螺母拧紧过程的扭拉关系理论公式，并对其拧紧特性进行了影响因素分析。首先考虑楔形螺纹面的复杂几何形状，构建楔形斜面上任意区域的局部坐标系，通过坐标转换获得了任意楔形区域的平面方程、切向和法向矢量，在此基础上建立楔形锁紧螺母拧紧过程的扭拉关系理论公式；然后建立精确的楔形螺纹连接有限元模型，仿真了实际的拧紧过程，通过改变不同的摩擦系数、楔形角和螺距，得到拧紧扭矩-预紧力的离散数据点，通过对比理论公式所绘制的扭拉关系直线，从数值仿真角度验证了楔形螺纹连接扭拉关系理论公式的可靠性；同时，采用航空航天领域的两种典型楔形锁紧螺母作为试验对象，通过拧紧试验进一步验证理论公式的可靠性。最后系统研究了螺栓螺母材料、被压件材料、螺纹规格、螺母结构形式、拧紧次数等因素对楔形锁紧螺母扭矩系数和重复拧紧性能的影响规律。

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协同进化交叉熵算法求解浇次不固定的炼钢连铸调度问题

吕阳, 钱斌, 胡蓉, 张梓琪

机械工程学报. 2021, 57(19): 192-207. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.018

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浇次不固定的炼钢连铸调度问题（Cast uncertain steelmaking continuous casting scheduling problem，CU_SCCSP）广泛存在于钢铁生产行业中。该问题对应炼铁、精炼和连铸三个连续生产阶段，其中炼铁和精炼阶段为带运输时间的混合流水线调度子问题，连铸阶段为带独立设置时间的复杂并行机调度子问题，且两个子问题相互耦合。针对该问题，建立优化目标为最小化最大完工时间和平均等待时间加权和的排序模型，并提出一种协同进化交叉熵算法（Co-evolution cross-entropy optimization algorithm，CCOA）进行求解。设计前后子问题两段式编码和双向解码的策略，并采用启发式规则和随机方式初始化种群，以确保初始解的质量和分散性。在算法全局搜索阶段，采用分别对应前后子问题的双概率分布协同学习和积累优质解信息，并在采样概率分布生成新个体时引入考虑子问题耦合的模糊关系矩阵对概率分布取值进行适当调整，以增强算法较快到达优质解区域的能力，同时设计种群分裂机制来提高算法的引导性并扩大搜索范围。为提高算法的局部搜索能力，对分裂后的双种群中个体执行基于interchange和insert邻域操作的协同搜索，进而对当前历史最优解执行结合SWAP邻域快速评价的变邻域搜索，可增加算法在解空间中多个优质区域的搜索深度。仿真试验和算法比较验证了所提算法的有效性。

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基于设计意图的一体化智能装配建模与序列规划技术研究

徐志佳, 莫善聪, 唐文斌

机械工程学报. 2021, 57(19): 208-217. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.019

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装配建模和序列规划是数字化装配的重要组成部分，但设计意图（Design intent，DI）的丢失致使其相互割裂、智能化水平低。针对前期发现的"装配建模和序列规划一体化完成"的可能性，研究基于DI的一体化智能化装配建模和序列规划方法。分析前期基于交互特征偶（Interaction feature pair， IFP）的智能装配建模方法的局限及其原因，明确一体化智能装配建模和序列规划的总体方案；设计零件初步序列规划算法、复合IFP （Complex IFP， C-IFP）构造算法、零件预装配算法和C-IFP实例化算法，以及相关功能类，从而增强零件的"感知"能力，提升了装配建模和序列规划的智能化水平，并基于DI的一致性传递，实现了两个环节的相互促进、一体融合。通过简化的机械臂实例验证方法的可行性。该方法对于打破渐趋固化的串行数字化装配模式、丰富并发展数字化装配理论和技术体系具有积极意义。

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考虑双联卡箍约束的航空发动机多管成束敷设优化方法

柳强, 刘贝贝, 于嘉鹏, 马辉, 贾铎, 唐志

机械工程学报. 2021, 57(19): 218-229. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.020

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为解决航空发动机多管路成束敷设问题，提出了一种基于双联卡箍约束和改进NSGA-Ⅱ的管路敷设优化方法。提出一种基于混沌反向学习机制和Levy变异算子的改进NSGA-Ⅱ算法，以改善算法收敛性和非支配解分布性。为解决管路和卡箍的装配约束和设计耦合关系，建立了基于双联卡箍约束的路径模式，生成卡箍和路径控制点，综合考虑管路敷设与卡箍布置规则，基于改进NSGA-Ⅱ设计管路-双联卡箍敷设算法，对卡箍位姿参数和管路路径同时求解。根据多管端口相对位置，提出基于聚类分析的管路分组及敷设序列规划方法，调用管路-双联卡箍敷设算法完成多管成束规划。所提敷设方法在管路设计阶段即考虑卡箍布置问题，实现了双联卡箍布置和多管成束敷设的同时自动规划，最后通过测试函数和敷设算例验证了所提方法的有效性。

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集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

阎秋生, 廖博涛, 路家斌, 付有志

机械工程学报. 2021, 57(19): 230-238. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.021

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为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果，提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法，探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验，通过检测加工表面粗糙度、材料去除率，观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化，研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后，集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮，不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多，而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化，形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比，材料去除率提高19.5%，表面粗糙度降低了42.96%，在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面，材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。

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微纳结构飞切加工与表面结构色调控

董晓彬, 周天丰, 贺裕鹏, 王添星, 刘朋, 赵斌, 赵文祥, 王西彬

机械工程学报. 2021, 57(19): 239-245. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.022

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当微纳结构尺度与可见光波长尺度接近时，在白光照射下将产生特定的结构色，颜色鲜艳亮丽。结构色的色彩特性由微纳结构形状特征和周期尺度决定，其颜色鲜艳程度和亮度由微纳结构形状精度和表面质量决定。提出了一种微纳结构轴向进给飞切加工方法，通过在磷化镍（Ni-P）材料表面高效率高精度加工出微纳米尺度的"梭形沟槽"，其单元特征尺寸为200～1 000 nm、表面粗糙度为7～10 nm，实现了结构色微纳结构单元和色彩特征调控；并通过加工轨迹规划和工艺参数调控，实现了结构色像素单元与单元之间的无缝拼接，最终形成大面积结构色图案的制造与调控。本技术将在结构色滤光、微纳仿生结构以及功能表面等方面中产生巨大的应用价值。

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基于刀具磨损映射关系的微细铣削力理论建模与试验研究

朱锟鹏, 李刚

机械工程学报. 2021, 57(19): 246-259. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.023

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微细铣削加工过程中，刀具直径小且磨损较快，刀具磨损对微细铣削力有着明显的非线性影响，同时刀具跳动又对刀具每齿的磨损表现出不同的影响效应，这些影响因素会导致加工过程的不稳定性和精度。然而，目前缺乏考虑具有刀具跳动和磨损效应的通用微细铣削力模型，研究了刀具跳动与刀具每齿磨损量之间的变化规律，提出了一种同时包括刀具跳动和刀具磨损效应的新型的微细铣削力模型。该模型中，根据刀具每齿磨损量与切削位置的几何关系，改进了瞬时切削厚度模型，基于不同切削刃所对应的受力情况，同时将刀具直径方向上磨损变化量与力模型系数相关联，从而来提高力模型的精确度。最后，通过不同铣削参数下的铣削试验，论证了所提出模型的准确性和有效性。利用所提出的模型，可以通过监测铣削力的大小来辨别刀具尺寸是否在可持续铣削的范围内，从而提高微铣削的加工精度和效率。

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单晶硅料摆辅助多金刚线切片的锯切力模型研究

冯勇, 王晓宇, 徐振钦, 季富华, 王浩祥

机械工程学报. 2021, 57(19): 260-272. https://doi.org/10.3901/JME.2021.19.024

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料摆辅助多金刚线切片技术是实现硬脆材料高精高效加工行之有效的工艺技术，探明其工艺参数、锯切力和切片质量的定量关系，具有重要的现实意义。在研究金刚线运动轨迹的基础上，推导了考虑线弓影响的切割长度变化公式；结合压痕断裂力学和试验研究，建立并验证了料摆辅助切片的锯切力模型。开展了不同工艺参数对锯切力的影响分析，结果表明，料摆辅助加工可以降低锯切力近50%；摆动角度对最大切割力的影响较小，但摆角增大会加剧"锯齿形波动"周期内的锯切力极值幅度，摆动角速度对"锯齿形波动"的周期影响较大；在恒定进给速度条件下，进给速度越高，锯切力越大；在变速进给条件下，最大锯切力可降低12%左右。进一步进行了摆角分别为0°、3°、5°和7°的多金刚线切割单晶硅实验，试验表明，料摆辅助切片加工有助于减少硅片表面因脆性崩裂产生的表面材料破损、深凹坑等缺陷；相较于普通切片加工，在摆角5°工况时，工件的表面粗糙度和硬化层厚度最大分别降低30.1%和20.1%。

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2021年, 第57卷, 第19期　
刊出日期：2021-10-05

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