机械工程学报

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机械工程学报. 2022, 58(15): 0-0.

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先进磨粒加工技术专栏序

徐西鹏, 康仁科, 沈剑云, 董志刚, 鲍岩

机械工程学报. 2022, 58(15): 1-1. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.001

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磨粒加工是利用细粒度的磨粒或微粉工具对工件进行加工，以获得高加工精度和表面质量的方法，主要包括磨削、砂带磨、珩磨、研磨、抛光、磨粒流加工，以及由其发展出的能场辅助复合磨粒加工方法等。磨粒加工技术在集成电路、航空航天、高技术船舶、先进轨道交通、高性能医疗器械等领域高端装备关键构件加工中具有不可替代的重要作用。随着现代微电子、信息、光学等产业的快速发展，半导体基片、先进光学元件等关键构件的加工质量要求不断提升，带动了磨粒加工技术向着高精度、高效率、复合化、自动化、智能化和绿色化的方向发展，促使新的先进磨粒加工方法、工具与装备不断涌现。
先进磨粒加工技术一直是制造领域的重点研究方向，得到了国内外学术界与产业界的高度关注。为了集中介绍磨粒加工的理论、工艺和装备等方面的最新进展，促进磨粒加工技术的学术交流与技术进步，《机械工程学报》编辑部联合华侨大学徐西鹏教授、大连理工大学康仁科教授等组织策划出版了本期“先进磨粒加工技术”专栏。本期专栏聚焦于磨粒加工基础理论、磨粒加工过程建模仿真与优化，高速/高效磨粒加工技术、精密/超精密磨粒加工技术、多能场复合磨粒加工技术、用于新材料的磨粒加工技术、磨粒加工表面完整性及其检测技术、磨粒加工过程的检测与控制、磨粒加工工具和装备等方面的最新研究进展。专栏刊载研究综述3篇，研究论文15篇。
希望通过本期专栏的策划出版，促进国内磨粒加工技术研究的同行能够更加聚焦国际学术前沿和国家重大需求，强化关键科学问题研究，不断探索新方法与新原理，加快形成重要原创性成果，提高磨粒加工的理论研究水平，推动磨粒加工技术进步。

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磨粒工具的研究现状及发展趋势

徐西鹏, 黄辉, 胡中伟, 崔长彩, 罗求发, 廖信江

机械工程学报. 2022, 58(15): 2-20. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.002

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磨粒加工技术的快速发展带动了磨粒工具技术的不断进步。发展高性能的磨粒工具对提高生产效率、提升加工精度有着重要的意义。从加工中磨粒工具的失效形式入手，分析了不同加工目标下磨粒与工件材料加工界面之间的力作用、温度作用、化学作用对磨粒工具失效的影响机制；概述了基于界面作用机理调控的磨粒工具设计及制造技术；归纳了现有磨粒工具的表面状态测量与评价技术；总结了磨粒工具使用过程中的界面作用调控技术；结合智能磨粒加工技术的发展对磨粒工具的未来趋势提出了展望。

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力流变抛光技术

袁巨龙, 王金虎, 吕冰海, 王旭, 杭伟

机械工程学报. 2022, 58(15): 21-30. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.021

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针对高质量复杂曲面抛光效率低下的难题，提出了力流变抛光技术，通过调控非牛顿流体抛光液在剪切应力作用下的非线性流变特性以及抛光液流场参数，调节抛光液与被抛光表面间的剪切应力，在被抛光表面形成柔性把持磨粒的流变层实现材料去除。实验研究了力流变抛光技术的工艺特点，结果表明抛光速度、磨料浓度越高，材料去除率越高，抛光表面粗糙度也越小，但抛光液质量分数一定时，抛光表面质量受磨料粒度的影响较弱，且材料去除率随磨粒粒径增大而减小。对石英半球谐振子、硬质合金螺纹梳刀、钽酸锂基片力流变抛光的结果表明，在不需外加辅助物理场条件下，能够实现金属、玻璃、硬质合金、晶体等材料的平面、回转面及复杂曲面的高效超精密抛光，其具有广阔的应用前景。

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关于硬脆材料去除机理与加工损伤的理性思考

卢守相, 杨秀轩, 张建秋, 周聪, 殷景飞, 张璧

机械工程学报. 2022, 58(15): 31-45. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.031

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硬脆材料是典型的难加工材料。长期以来，实现“延性域”磨削被认为是消除加工损伤的重要途径。从“临界切深模型”和“延性域磨削条件下的损伤”两个角度分析了“延性域”磨削理论存在的问题，从“尺寸效应”、“应变率效应”和“温度效应”三个方面讨论了影响硬脆材料磨削加工损伤的主要因素，并基于位错理论对磨削加工材料去除机理、变形和断裂机制、加工损伤等重要问题进行了理性思考。旨在澄清“延性域”磨削加工的概念，并证明了“延性域”磨削并不代表没有加工损伤。硬脆材料的塑性变形或脆性断裂是“尺寸效应”、“温度效应”与“应变率效应”三者相互竞争、综合作用的结果，超高速磨削在降低硬脆材料加工损伤、提高加工效率方面有巨大的工程应用潜力。

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光学元件全口径抛光中温度分布对元件面形的影响规律及其控制方法研究

张飞虎, 王乙任, 廖德锋, 任乐乐, 李琛

机械工程学报. 2022, 58(15): 46-54. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.046

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大口径平面光学元件，尤其是热膨胀系数较大的材料，极易在全口径抛光中受到温度的影响导致面形精度难以控制。建立抛光过程中光学元件温度场的有限元模型，模拟分析全口径抛光过程中空气、抛光液对元件上下表面的温度分布的影响规律；基于接触力学理论和有限元方法建立光学元件与抛光盘的接触力学模型，分析元件变形对抛光压力分布的影响。基于Preston方程探索压力分布对元件表面材料去除分布和面形精度的影响规律；提出控制元件内温度分布、进而提高元件面形精度的方法。结果表明，对于610 mm口径的K9元件，低频面形PV可以达到0.2λ（1λ=0.632 8μm）。

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镍基高温合金深切磨削接触区内流体对流换热系数分布反推方法研究

金滩, 马鑫, 胡浩, 曲美娜, 尚振涛

机械工程学报. 2022, 58(15): 55-62. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.055

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采用多孔金属结合剂CBN砂轮，对镍基高温合金开展了缓进深切磨削相关理论与试验研究。基于实测磨削温度信号和圆弧接触移动热源模型，建立了深切磨削条件下磨削区内流体对流换热系数（Convection heat transfer coefficient，CHTC）分布的反推计算方法。在缓进深切模式下，磨削区内对流换热系数分布形态与传统浅磨明显不同。磨削区内的对流换热系数分布分为两段曲线，在磨削区前端的小区间，磨削液对流换热系数有一个明显的上升段，在主对流换热区，对流换热系数变化相对平缓。接触弧长和进给速度的变化对主对流换热区的对流换热系数分布影响较小，磨削速度是影响对流换热系数的主要因素。在磨削速度28~42 m/s范围内，宏观对流换热系数为23 000~25 000 W/m²·K，磨削速度提高至50 m/s，对流换热系数有所降低，为16 000~19 000 W/m²·K。该研究表明，采用多孔金属结合剂砂轮和油基磨削液，可在磨削弧长较大的条件下实现对磨削区的有效对流换热。

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端面磨削复合材料管毛刺预测及验证

田俊超, 鲍岩, 董志刚, 陆冰伟, 康仁科, 郭东明

机械工程学报. 2022, 58(15): 63-74. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.063

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阵列复材管具有优异的性能，可应用于微波反射器夹层。阵列复材管端面磨削过程中易出现规律毛刺且形成过程不明确。研究以阵列复材管的复合材料管胞元为对象，考虑其宏观结构特征和端面磨削特点定义切出角度和砂轮轴线偏移角，并系统研究在砂轮倒角参数和工艺参数综合影响下，切削截面内砂轮与纤维相互作用关系，揭示毛刺的形成过程并建立毛刺长度预测模型。结果表明：砂轮轴线偏移角、砂轮倒角共同影响切削截面内的砂轮倒角，而切削截面内砂轮倒角与纤维方向角的大小关系、轴向磨削深度共同影响纤维率先发生断裂的位置，该位置与纤维方向角共同影响毛刺的长度。为获得更好的加工质量应优先选用较大倒角的砂轮、较小的砂轮轴线偏移角或使切出角度接近90°，当毛刺不可避免时，优先选用较小的轴向磨削深度。研究成果可为复合材料管端面磨削过程中刀具轨迹规划、刀具设计和工艺参数选择提供指导。

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钛合金超微细磨削中磨削力和加工表面质量的研究

张振宇, 吴俊, 宋克峰, 郭昭志, 程军

机械工程学报. 2022, 58(15): 75-91. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.075

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超微细磨削是指磨削工具直径不大于100μm的磨削加工过程，它在制造由各种材料制成的微结构元器件方面具有巨大的潜力。通过磨粒轨迹仿真和理论分析的手段，系统地研究了超微细磨削加工中的加工表面质量、磨削力和磨具磨损特性。发现在超微细磨削加工中，拥有最大出刃高度的磨粒一定是有效磨粒，且拥有最大出刃高度的磨粒会在磨削表面的形成过程中起主导作用。建立了考虑磨粒粒径差异时的未变形切屑厚度模型和磨削力模型，并最终通过在钛合金上进行超微细磨削实验对磨削力模型进行了验证。实验发现，超微细磨削加工的表面质量随进给速度和径向切深的增大而变差，表面粗糙度也随着进给速度和径向切深的增大而增大。对于超微细磨削加工过程，发现加工中超微细磨具磨损迅速，而造成磨具快速磨损的原因主要是参与加工的有效磨粒数非常少。在径向切深等于1μm时，磨具上参与切削的磨粒仅占总磨粒数的12%。在大径向切深时，除有效磨粒少之外，磨具磨损迅速另一个重要的原因是未变形切屑厚度非常大，超过了磨粒所能承受的极限。

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锆基非晶合金离散磨粒冲蚀机理研究

叶启立, 王成勇, 赖子健, 丁峰, 王军

机械工程学报. 2022, 58(15): 92-104. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.092

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磨料水射流作为一种冷态加工技术，在非晶合金零件加工中有巨大应用潜力。为揭示磨料水射流加工非晶合金的材料去除机理，基于单颗粒棕刚玉和玻璃珠磨料的冲击试验，探讨了冲击速度和冲击角度对非晶合金去除过程和去除形式的影响；量化分析了冲击参数对去除效率的影响规律。结果表明，非晶合金在磨粒冲击下的响应形式表现为弹性变形、剪切滑移、黏性流动、剪切裂纹和块状剥落，材料去除机理为塑性去除和脆性去除并存；磨粒冲击行为主要为反弹、破碎和嵌入，其中反弹是主要的冲击行为；去除量随着磨粒冲击速度的增加而增加，棕刚玉磨料比玻璃珠磨料具有更高的材料去除能力，且在45°冲击角时去除效率最高。研究结果不仅有利于理解玻璃态金属的冲蚀机理，还为以后研究磨料水射流加工非晶合金奠定了基础。

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面向绿色高效磨削的振荡热管砂轮磨削温度与强化传热分析

钱宁, 徐九华, 傅玉灿, 姜帆, 张靖周

机械工程学报. 2022, 58(15): 105-120. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.105

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高温合金由于其导热性差、比强度高，在磨削过程中弧区易产生并积聚大量磨削热，导致磨削烧伤。传统的冷却液浇注技术乃至高压水射流冷却技术都难以确保其磨削过程的冷却效果。基于绿色制造和清洁生产的发展理念，提出了一种振荡热管砂轮，其核心思想是借助振荡热管内部工质的相变及循环运动，及时、高效、稳定地疏导磨削弧区的热量，实现高温合金的干磨削。针对高温合金绿色加工的传热需求，设计并制作了振荡热管砂轮，开展了振荡热管砂轮的传热仿真分析和干磨削高温合金试验研究。研究结果表明，相比于传统砂轮，振荡热管砂轮的传热能力提高了88.4%~96.6%，可将58%~79%的磨削热通过砂轮及时疏导出去，从而将磨削温度降低了约40%，并始终控制在600℃以内。正是由于其高效的热疏导能力，振荡热管砂轮的磨削效率相比于传统砂轮提高了约2.4倍。振荡热管砂轮通过改变弧区热分配机制，有效控制了磨削烧伤，实现了高温合金的绿色高效磨削加工。

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单晶硅微细磨削非稳态特征声发射信号感知研究

张学学, 任莹晖, 杨伟程, 李伟, 于康宁

机械工程学报. 2022, 58(15): 121-133. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.121

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针对硬脆材料微小零件和微结构微细磨削加工时非稳态特征感知和识别难题，开展单晶硅微细磨削非稳态特征声发射信号感知方法和分析研究。设计了单晶硅微槽阵列微细磨削单因素工艺实验，搭建了声发射（AE）信号实时监测平台，基于均方根法提取了信号时域特征并采用小波包分解法和快速傅里叶变换划分了对应频带。选取微磨具直径损失量、微槽平均崩边宽度及微槽锥度角作为微磨具磨损和磨削质量变化的非稳态特征评价指标。探究了声发射信号时、频域特征与非稳态特征间的相关性。结果表明，AE信号分析区间的均方根与微槽平均崩边宽度近似为线性关系。低频带信号（0~62.5 kHz）主要源于机械振动及磨屑与工件、微磨具间的摩擦作用。中频带AE信号（62.5~125k Hz）主要源于微磨具对微槽的成型作用，其能量占比能反映微磨具磨损程度。高频带AE信号（125~500 kHz）主要源于材料的脆性碎裂去除，其能量占比能反映微槽崩边损伤程度。

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SiC_f/SiC复合材料超声辅助干式侧磨砂轮磨损研究

董志刚, 马槐遥, 康仁科, 杨峰, 鲍岩

机械工程学报. 2022, 58(15): 134-143. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.134

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研究SiC_f/SiC复合材料超声辅助干式侧磨砂轮磨损，为SiC_f/SiC复合材料超声磨削加工提供理论与技术支持。开展SiC_f/SiC复合材料超声辅助干式侧磨砂轮磨损实验，研究超声振动对砂轮磨损的影响，对砂轮表面进行追踪观测和微观分析，提取磨粒磨损特征，揭示砂轮磨损机制；统计磨粒磨损平面面积，掌握砂轮磨损规律；分析砂轮磨损和超声振动对磨削力、材料去除率和表面粗糙度的影响。研究表明：在普通干式侧磨和超声辅助干式侧磨加工中，砂轮磨损均以磨耗磨损为主，都会形成粗糙与平整的磨损平面。超声振动引入后，断裂磨损增多，包括磨粒断裂与磨粒脱落现象；磨屑堵塞较少，但是会产生较大的磨粒磨损平面；磨粒磨损引起的砂轮直径减小更明显，磨削力略微上升，材料去除率降低；工件表面粗糙度显著降低，表面粗糙度Sa值最大可以降低约30%。

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放电热与交变切削力耦合的金刚石磨粒修整研究

黄家骏, 何铨鹏, 谢晋, 杨浩

机械工程学报. 2022, 58(15): 144-151. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.144

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超硬金刚石是加工硬质零部件的工具材料，但精密加工需控制其切削刃形貌。基于金刚石热化学石墨化去除机理，提出放电热与交变切削力耦合的金刚石磨粒修整修平方法，旨在磨削中确保离散分布的磨粒切削刃一致性。在修整中将砂轮与电极间的放电热传递至磨粒切削界面后与摩擦热融合，且利用交变切削力增强其表面热化学石墨化去除。进而，探究石墨化温度和切削刃温升率探究热力间的作用机制，分析交变切削力对磨粒修平面积、修整效率和磨削质量的影响等。结果表明，铁原子相对铜原子更容易扩散到金刚石原子结构中，将石墨化温度从850℃下降到750℃。在铁原子催化下，交变力与放电热耦合可增加切削刃温升率，提高金刚石修整效率约20倍，使磨粒修平面积增大约3倍。最后，采用#46粗金刚石砂轮对硬质模具钢进行干磨削，可减少应力集中和避免热损伤，Ra达到290 nm，实现环保、高效的精密加工。

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规则图案影响的氮化硅陶瓷激光辅助磨削机理与质量分析

郑迪昊, 钱炜, 吴重军, 郭维诚

机械工程学报. 2022, 58(15): 152-165. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.152

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针对氮化硅陶瓷加工效率低、质量难以稳定控制的难点问题，提出采用激光诱导微沟槽辅助磨削加工方法，开展陶瓷表面激光诱导规则图案的实验设计及磨削机理研究。根据激光辅助磨削加工方法，搭建激光辅助磨削加工实验系统，并设计了环形、棋盘形、圆弧形等3种规则图案表面微结构。通过对3种规则图案的微沟槽影响的磨削力学和几何学分析，再结合磨削工艺走刀设计，测量氮化硅陶瓷磨削力以及表面粗糙度。研究结果表明：激光诱导微沟槽辅助磨削可以显著降低工程陶瓷的磨削力以及表面粗糙度，从而有效提高工程陶瓷磨削加工效率与质量。经过激光诱导微织构的表面在40μm磨削深度下的磨削力与10μm磨削深度下未经过激光辅助的磨削力接近，且加工质量最大可提升6%左右。同时，通过磨削力和加工质量对比分析表明环形规则图案是最佳的激光诱导微沟槽轨迹。

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激光辅助球头磁流变抛光表面粗糙度预测模型

乔国朝, 戴立达, 张争艳

机械工程学报. 2022, 58(15): 166-176. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.166

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为实现激光辅助球头磁流变抛光表面粗糙度预测，对永磁球形抛光头的磁场强度进行了仿真分析，基于流固耦合传热理论，分析了激光温度场对抛光区磨粒的磁浮力及流体动压力的影响规律，建立了正压力的数学表达式，获得了正压力与磨粒侵入深度之间的关系。结合磨粒的运动学分析，提出了加工表面形貌的重构算法，建立了加工表面粗糙度的预测模型并进行了试验验证，进一步揭示了工艺参数对加工表面粗糙度的影响规律。结果表明：激光辅助磁流变抛光能有效降低加工表面粗糙度；激光功率、主轴转速、抛光间隙与表面粗糙度之间均非单调递增或递减的关系，在试验所选参数范围内均存在一个最优值。对比表面粗糙度的试验结果和预测结果，两者具有很好的一致性，最大预测误差为16.3%。

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仿形喷嘴磨料射流抛光微结构仿真及试验研究

陈逢军, 尹业青, 胡天

机械工程学报. 2022, 58(15): 177-187. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.177

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针对微结构阵列抛光受尺寸限制、抛光工具制造困难且容易磨损等问题，结合磨料水射流形状自适应性、加工成本低廉等特点提出一种仿形喷嘴磨料水射流抛光微结构阵列的方法。基于单颗磨粒去除特性与磨粒流场分布推导壁面材料去除模型，仿真分析仿形喷嘴型槽流场以及壁面材料去除特性后，进行了喷嘴类型与工艺参数对壁面抛光效果的影响实验。结果表明，仿形喷嘴2加工的型槽表面效果良好，在加工压力0.8 MPa、磨粒浓度3%、磨料粒径3μm条件下加工30 min后，型槽底壁面以及侧壁面Ra由初始198 nm分别降至69 nm、80 nm，Ra相对差值13.75%，表明型槽侧壁面与底壁面表面加工质量具有较好的一致性。

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磨粒流抛光粗糙度预测模型研究

王海全, 付源政, 高航, 王宣平

机械工程学报. 2022, 58(15): 188-197. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.188

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磨粒流抛光是实现整体叶盘等复杂结构零件内表面抛光的有效手段，实现抛光表面粗糙度可控可预测是磨粒流加工研究中的重要问题。以简单高长径比管件为研究对象，研究磨料介质在工件表面的动力学特性，提出基于磨粒流抛光的表面粗糙度预测模型，并实验验证了模型的有效性。此基础上，开展整体叶轮叶片复杂型面的磨粒流抛光实验，并将实验结果与数值模拟进行对比。结果表明：磨粒流抛光方法可应用于整体叶轮叶片复杂型面的光整抛光，工件表面粗糙度从初始的S_a 0.76μm降低至S_a 0.30μm，表面粗糙度改善程度达60%。实验结果与数值模拟之间的误差为19.5%±4.9%，实现了叶轮叶片的光整抛光和表面粗糙度预测。

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考虑廓形曲率阶跃特征的钢轨砂带打磨静态接触行为研究

樊文刚, 刘弋, 张鑫乐, 吴志伟, 吴昌昕

机械工程学报. 2022, 58(15): 198-207. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.198

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钢轨打磨接触问题研究目前主要集中在将钢轨轮廓简化为圆柱面层面，而忽视了钢轨廓形曲线由多段圆弧组成这个事实。为此，考虑钢轨廓形曲线的曲率阶跃特征，基于赫兹接触理论，建立钢轨砂带打磨静态接触理论模型，确定打磨角度与打磨接触点间的数学关系，对钢轨进行离散化切片处理，获得接触区域内应力分布和接触斑形态。对五个不同打磨接触位置分别进行数值计算和接触实验，发现理论结果和实验结果呈现较高程度的吻合，在接触区域不存在曲率阶跃的情况下接触斑呈现较为规则的椭圆形态，在接触区域存在曲率阶跃的情况下接触斑在分界线两侧的形态差别较大，并且随着法向压力的增大差异更加明显，验证了所建立理论接触模型的正确性与有效性。

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大曲率表面机器人高速磨削中的陀螺力矩分析

王文玺, 黄云, 刘占芳, 邹莱, 吕冲

机械工程学报. 2022, 58(15): 208-215. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.208

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工业机器人具有灵活性好、易于调度、通用性强等特点，在大型复杂曲面件磨削中表现出了良好的适应性。而大尺寸复杂曲面件进行精密砂轮磨削时，因工件表面曲率大、尺寸大，高速自旋磨头常伴有连续快速摆动需求而使陀螺力矩加剧。与高速弹道/飞行器中陀螺力矩对俯仰位姿调整的阻碍效应相似，陀螺力矩过大也会影响高速重载磨削时磨头位姿的精准控制。为揭示陀螺力矩在机器人磨削中的作用机理，支撑装备选型设计与工艺优化，以高速自旋磨头做单轴摆动为对象开展了理论建模与算例分析。推导了磨头两次定轴转动后的合成角速度和角加速度，基于欧拉动力学方程求得了各轴转矩在全局和局部坐标系下的表达式，最后以水轮机叶片磨削为例对机器人负载能力进行了校核分析并提出了改进意见。发现在磨头局部坐标系下，高速磨头做单轴匀速摆动时的陀螺力矩产生在未发生转动的剩余正交轴向上，其幅值与自旋方向转动惯量、主轴自旋角速度、主轴摆动角速度呈正比。

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舰载飞机着舰挂索成功率计算方法研究

彭一明, 印寅, 魏小辉, 聂宏

机械工程学报. 2022, 58(15): 216-225. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.216

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舰载飞机着舰拦阻过程是一个复杂且危险过程，存在诸多不确定因素，这导致了着舰拦阻可靠性分析的困难。为了使着舰拦阻可靠性分析更加准确和有效，以某型舰载飞机为研究对象，建立了飞机着舰挂索动力学模型，并通过动力学试验结果验证了模型的准确性。然后对动力学模型进行批量仿真，得到建立代理模型所需的样本点。最后，利用支持向量机法建立了拦阻钩挂索可靠性的代理模型，并用蒙特卡罗方法进行了着舰挂索可靠性分析，计算出挂索成功率。该分析方法及其结果可为舰载飞机的顶层参数设计和拦阻系统的可靠性研究提供参考。

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平箔片凹陷对止推箔片轴承性能影响试验研究

邱烁现, 徐方程

机械工程学报. 2022, 58(15): 226-232,242. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.226

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针对平箔片凹陷效应对气体止推箔片轴承静态特性的影响，搭建了气体止推箔片轴承性能试验台，分别对平箔片厚度为0.10 mm，0.15 mm，0.20 mm和0.30 mm的止推箔片轴承进行了承载力、摩擦力矩和楔形区域平箔片变形量的测量。试验结果表明：在相同的载荷作用下，随着平箔片厚度的增加，其变形量减小，使得作用在平箔片上气膜压力分布更均匀，并且降低了轴承的摩擦力矩，但是在平箔片厚度达到0.2mm以上，其变形量不再明显减小，并且摩擦力矩有所上升，因此在工程应用中应当采用厚度为0.2 mm左右的平箔片。

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利用偏心转子实现转速与驱动频率一致的高速压电马达研究

潘巧生, 赵明飞, 李晨, 黄梓良, 陈立蔚, 王雅

机械工程学报. 2022, 58(15): 233-242. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.233

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现有的压电马达主要利用摩擦耦合实现运动输出，通过累计小角度（位移）实现连续旋转（直线）运动，难以应用于高速需求场合。设计了一种转速与频率一致的压电马达，利用轴承将定子强迫振动的能量馈入偏心转子，定子振动一个周期，转子旋转一周，从而实现压电马达高速输出。建立压电马达的动力学模型，理论分析该驱动机制下压电马达系统振动传递规律以及损耗与输入能量的关系。提出将转子的部分质量转移到定子中以进一步提升转速，建立质量转移后系统振动力学模型，分析质量转移后偏心转子转速以及轴承的能量损耗。搭建有质量转移和无质量转移两种压电马达样机，实验测试两种样机的速度特性，结果表明，质量转移后马达的最大输出速度获得进一步提升，最高输出速度达到11 460 r/min，相比质量转移前速度提升了25.7%，该原理高速压电马达有望用于飞轮储能、离心分离等需要高速运动的应用场合。

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高压脉冲破岩放电回路建模及参数辨识

杨扬, 李昌平, 丁华锋

机械工程学报. 2022, 58(15): 243-251. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.243

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高压脉冲放电破碎岩石的过程是复杂的非线性过程，存在放电时间短且破岩效果难以预测的问题。因此，建立高压脉冲破岩放电回路等效模型来描述破岩放电过程，提出基于改进的混沌灰狼优化（Gray wolf optimization，GWO）算法进行等效模型参数辨识。首先采用改进的奇异值分解算法对破碎不同岩石过程的电流进行滤波。然后通过6种标准测试函数，证明了与非线性最小二乘（Nonlinear least square，NLS）法、遗传算法（Genetic algorithm，GA）、粒子群优化（Particle swarm optimization，PSO）算法和GWO算法相比，改进的混沌GWO算法具有更好的寻优性能。最后将改进的混沌GWO算法的参数辨识结果与其他四种算法进行对比，结果验证了放电回路等效模型的准确性，也证明了该算法在辨识高压脉冲破岩放电回路等效模型时具有更快的收敛速度和更高的精度。同时，可求解出冲击波，从而能够分析高压脉冲破岩的动态过程。

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基于EMD-POT模型的拖拉机关键零部件载荷时域外推方法

杨子涵, 宋正河, 罗振豪, 赵雪彦, 尹宜勇

机械工程学报. 2022, 58(15): 252-262. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.252

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针对传统POT外推方法存在的两方面问题：对非平稳载荷适应性不足以及缺少对外推重构环节的讨论，提出基于经验模态分解-峰值超阈值（Empirical mode decomposition-peaks over threshold，EMD-POT）模型的载荷时域外推方法。首先，以拖拉机传动轴为研究对象，对其在犁耕工况下的实测数据进行载荷特性分析，结果表明，拖拉机作业状态的频繁转换是造成载荷非平稳的主要因素。其次，针对第一个问题，结合EMD方法，在不考虑趋势载荷的情况下，实现对主成分载荷的无损提取；针对第二个问题，提出外推负载筛选、阈值限定与极值排序相结合的方法，实现外推载荷的精准重构。最后，将外推后的主成分载荷与趋势载荷进行叠加实现载荷时域外推。将改进的外推方法与传统POT外推方法得到的结果进行对比，结果表明，改进方法能够显著解决传统方法在处理非平稳载荷时外推结果失真的问题，提出的重构方法能够进一步提高外推与实测载荷循环的一致性，均值和标准差的稳定性分别提高了28.5%和31.2%。损伤计算结果表明，改进方法的累计损伤能够合理覆盖实测损伤，相比于随机重构方法，损伤一致性提高了9.4%。外推结果可为仿真分析及可靠性试验提供更准确的负载输入，进一步提高了载荷谱的编制精度。

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基于Seebeck效应的齿面温度测量研究

朱凌云, 苟向锋, 柴长银, 祁常君, 石建飞, 沈佳志

机械工程学报. 2022, 58(15): 263-273. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.263

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齿轮传动过程中齿面摩擦消耗的机械能转化而来的热能，引起齿面接触温度升高，影响齿轮的啮合特性。准确的试验测量方法能够揭示轮齿工作过程中的齿面温度变化规律，有助于建立精确的计算方法以便对齿面温度进行预测和控制。根据Seebeck效应基本原理提出齿面接触温度的直接测量方法，研发可直接获取齿高方向任意点齿面接触温度的直齿轮齿面温度测量试验台。考虑齿轮多状态啮合特性、载荷分配率及不同润滑状态下摩擦系数的影响，对Blok闪温计算公式进行改进。对照试验测量与理论计算结果，结合绝对误差和测量不确定度，分析二者之间的一致性及误差产生原因。该试验台能反映齿距、齿高、润滑以及啮合点等对齿面接触温度变化的影响。试验证实多状态啮合区域的划分是准确的，可为齿轮传动系统温度预测和控制及其理论计算方法的改进和完善提供依据。

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基于有限元模型的增减材一体化复合制造技术热力耦合研究

赵宇辉, 高孟秋, 赵吉宾, 王志国, 何振丰, 贺晨

机械工程学报. 2022, 58(15): 274-282. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.274

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采用高斯移动热源、重启动分析、预定义场以及J-C本构模型等方法，探究了增减材复合制造过程中温度场与应力场的耦合作用，实现了增减材复合制造过程有限元模型的构建并通过实验验证了模型的准确性。研究结果表明，采用高斯线热源方法在降低计算量的同时，还可以保证模型的准确性，而重启动分析与预定义场实现了增减材制造过程工艺的良好衔接；随着温度的降低，应力形式由热应力转变为加工应力，工件表面由残余拉应力转变为残余压应力，表明在增材制造过程中激光加热产生的高温对工件表面应力影响较大；在增材工艺与减材工艺之间的冷却时间延长后，工件表面的残余应力由正值转化为负值，这说明减材工艺的介入时机对工件表面的应力状态有较大影响，选择合适的减材加工温度，有利于降低残余应力对工件的影响。

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非溶剂致相分离法3D打印聚醚酰亚胺宏/微观多孔结构的成型工艺研究

张莉彦, 高丽洁, 马昊鹏, 焦志伟, 杨卫民, 于源

机械工程学报. 2022, 58(15): 283-291. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.283

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聚醚酰亚胺（PEI）具有良好的物理性能和生物相容性，是一种广受关注的医用植入材料。以聚醚酰亚胺（PEI）粉末和N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂为原料制备了打印浆料，在湿度可控的环境下3D打印成型宏观孔结构，通过非溶剂致相分离和加热干燥脱除溶剂得到了微观孔结构，成型了具备宏/微观多孔结构的PEI制品。对热重曲线和红外光谱图进行分析，验证PEI制品可完全脱除NMP；采用电子显微镜和扫描电镜分析了PEI制品的宏/微观形貌，宏观孔径为470~550μm，微观孔径主要分布在20μm以下，孔隙率为57%~61%；对制品的力学性能进行测试，其拉伸强度最大为11.72 MPa，弹性模量最大为383 MPa。非溶剂致相分离3D打印工艺可成型具备宏/微观多孔结构的PEI制品，在医用植入支架中具有潜在应用前景。

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面向航发叶片同步抛光的型面聚类分组方法

张云, 王小东, 陈志同, 朱正清, 叶欢

机械工程学报. 2022, 58(15): 292-301. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.292

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叶片是航空发动机核心零件，其制造能力的提升是航空制造业关注的重点。在多主轴阵列机床高效加工的技术背景下，针对批次叶片实际型面一致性不佳造成的同步定轨迹抛光质量不足问题，提出了基于形状的叶片型面聚类分组方法。首先，依据抛光去量与预压量关系确定组内叶片容许差异。其次，依据抽样叶片实际型面差异确定分组标志点分布。然后，将两两叶片型面的一致性表示为分组标志点实测数据的向量差，在组内叶片容许差异约束下以Ray-Turi指数为目标确立最优分组。最后，以批次叶片为对象验证了所提聚类分组方法的有效性。验证结果表明该方法可提高批次叶片分组后实际型面的组内一致性（实例为0.098 5 mm内），组间超容许差异区域所占比例达到16.67%以上。对分组后叶片进行同步抛光，截面线轮廓度≤0.054 mm，且相同位置处抛光后精度差异≤0.021 mm，从而说明了该方法有助于实现批次叶片的高质量多主轴同步抛光。

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树脂/石墨复合材料激光烧蚀与累积效应研究

张福林, 何建国, 刘洋, 代守军, 谢玉莹, 黄超, 凡炼文, 刘思思

机械工程学报. 2022, 58(15): 302-312. https://doi.org/10.3901/JME.2022.15.302

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树脂/石墨复合材料在氢燃料电池领域具有重要的工程应用价值与科研价值。区别于传统的成型与机加工方法，脉冲激光制造在树脂/石墨复合材料上极具应用前景。然而，近年来激光加工树脂/石墨复合材料的研究鲜有报道，进行脉冲激光对材料的烧蚀动力学研究对推动密流道石墨双极板激光制备技术具有重要意义。通过结合有限元仿真和试验探究了在低能量密度下（15.33~30.35 J/cm²）纳秒脉冲激光烧蚀该材料的孔径变化，确定不同入射脉冲数下材料的烧蚀阈值以及多脉冲累积效应。研究发现，在波长1 064 nm脉冲激光的作用下，随着入射激光能量密度和脉冲数的增加，该材料表面烧蚀孔径逐渐增大直至饱和，这与金属材料相似；该材料的烧蚀阈值会随着入射脉冲数的增加而下降，在饱和前的变化率非常显著，该材料的累积因子远小于金属材料。基于研究结果，在石墨复合材料双极板上制备出了高深宽比的密流道。

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刊出日期：2022-08-05

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