机械工程学报

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丛明, 李金钟, 刘冬, 杜宇

机械工程学报. 2023, 59(23): 1-22. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.001

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人们试图从人类处理复杂任务的表现中总结出认知机理并将其应用到机器人身上，用于替代人类本身处理复杂的任务。特别是在人机交互领域，通过编程演示和模仿学习，已经提出了向机器人传授新技能的技术。剩下的一个重要挑战是赋予机器人推断人类意图的能力，以及通过基于目标的模仿而不是遵循已演示的动作轨迹(基于轨迹或动作模仿)来学习新技能的能力。同习惯性行为(输入-操作映射)的认知机制不同，基于目标的方法首先推断出行为的目标，然后产生实现这些目标的规划。目标的存在被认为是构成人类高级认知能力的关键，在指导机器人学习人类处理复杂任务的技能方面具有重要的参考意义。首先从认知科学领域相关的研究介绍目标导向的行为在人类高级认知过程中起着重要的作用，从人工智能的三个范式行为主义、符号主义及连接主义介绍体现目标导向行为的计算框架，继而介绍目标导向的认知基础在仿生机器人导航、人机交互意图识别和机器人技能学习等方面的应用；最后介绍了近年来相关的研究项目，并给出未来发展的一些建议。

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航空发动机机匣多边并联加载装置设计及精度分析

郭建英, 梁晋, 刘建泽, 滕光蓉, 石炜, 刘良宝

机械工程学报. 2023, 59(23): 23-32. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.023

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针对航空发动机机匣强度试验对多边并联加载装置的需求，基于六自由度并联机构提出了一种适用于机匣多边多维力加载的试验系统，在实现系统稳定加载控制的同时有效抑制了机匣柔性变形对多维力加载精度的影响。利用旋量理论推导得到了典型双边多维力加载装置的一阶静力影响系数矩阵，运用ADAMS和Simulink建立了机匣加载系统联合仿真模型，实现了支链力与多维力之间的映射和柔性变形补偿解算。考虑多维力加载装置的Ⅰ类和Ⅱ类误差影响因素，推导了机匣双边多维力加载装置的误差分析模型。在此基础上研制了机匣双边多维力加载装置样机，搭建了机匣多维力静态测量与加载试验系统，并进行了试验验证。根据试验结果分析得到了该系统的加载精度，从而为机匣多边多维力并联加载装置的开发与应用提供了参考。

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3-RRS 并联机构的奇异性质研究

罗子茂, 李艳文, 彭宏鑫, 霍伟豪, 陈子明

机械工程学报. 2023, 59(23): 33-45. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.033

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并联机构的奇异是多数并联机构的固有特性，为了防止机构在应用的过程中接近奇异位形，掌握机构的奇异变化规律特别重要。对于3-RRS并联机构，通过建立对应的数学模型，对求得的奇异曲面进行识别，得到了一部分抛物面、锥面和波浪面，然后采用单一变量法研究了机构参数对该机构奇异曲面的影响：当定平台半径R和驱动杆的杆长l1变大时，对应机构空间奇异点的z值会相应增加；动平台的半径r和从动杆的杆长l2增大时则会使奇异点的高度下降；还与3-RPS并联机构进行对比，探究机构本身的变化对奇异曲面的影响。除此之外，基于改进后的G-K方法计算其自由度，基于运动学反解方程遍历其工作空间，在运动分支平面内建立约束关系，从而给出对应机构的运动学反解方程。然后根据螺旋理论，建立分支的运动螺旋系和约束螺旋以及驱动螺旋，构建机构的全雅可比矩阵，利用机构位于奇异位形时的性质得到奇异判别式，给出奇异分布曲面。最后通过搭建该机构的样机模型，采集动平台的位姿数据进行实验，验证理论研究的正确性。

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索穹顶网状可展开天线创新设计

张树新, 闫雷东, 张顺吉, 李昊天, 段宝岩

机械工程学报. 2023, 59(23): 46-54. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.046

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随着人类进入大宇航时代，对空间天线提出了大口径、轻质量与高收纳比的要求。针对大口径AstroMesh网状天线收拢高度难以满足火箭整流罩尺寸要求的问题，提出了一种索穹顶网状可展开天线创新设计方案。通过引入由受压杆、环索与斜索组成的索穹顶结构，实现天线下索网分环设计，缩短了与下索网相连的桁架竖杆长度，从而降低了天线整体收拢高度。通过16 m与100 m两种典型口径天线设计参数对比，结果显示该创新方案不仅破解了AstroMesh网状天线收拢高度高的问题，而且具有低面密度、结构简单的优点。设计并制作了1 m口径索穹顶网状可展开天线原理样机，开展了面形精度与展开过程测试实验，验证了设计方案的有效性。所提创新设计方案为未来百米口径网状可展开天线结构设计提供了新思路。

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切口式单孔腹腔镜连续体手术机器人构型设计和优化

潘琪琪, 罗静静, 王富豪, 王洪波

机械工程学报. 2023, 59(23): 55-67. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.055

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针对现有单孔腹腔镜柔性手术机器人刚度不足，负载能力较差及灵活度低等问题，提出了一种切口式连续体机器人机械臂构型设计方案。考虑柔性机器人工作刚度和灵活性难以同时提高这一瓶颈，结合分层理论(Layerwise theory, LWT)及拉格朗日乘子法对模型构造及尺寸参数进行优化。基于I型裂纹模型和应力强度分析，对绳驱机器人的牵引线位限方式进行优化。利用切口式机器人切口间隙和连续体最大可弯曲角度θ的关系图以及有限元分析，提出了切口间距优化策略。通过样机测试验证了各优化方案的可行性和有效性。实验证明，优化后的实验机械臂样机在0.5 N的弯曲反向负载下末端偏移误差在0.5 mm内；在柔性体弯曲角90°的范围内，末端负载0.5 N的偏移量均值为0.27 mm。实验表明提出的优化夹层切口式机器人具有较大的刚度和负载能力，在实际手术场景应用中，柔性体末端受拉或负载器械时仍能够满足所需的姿态要求。

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基于CGA的7自由度冗余机械臂逆运动学臂型角参数化方法

张英, 冯征征, 李剑, 魏世民, 廖启征

机械工程学报. 2023, 59(23): 68-75. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.068

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基于共形几何代数(Conformal geometric algebra, CGA)，提出了一种求解SRS(S：球副，R：转动副)7自由度机械臂逆运动分析的臂型角参数化法。首先，根据臂型角参数化，在共形几何代数框架下，使用点、线、面、球和点对等基本几何体的相交、分离和对偶等运算，得到机械臂5个关节点的位置；接着，通过构造过关节点的直线与平面，使用构造的直线间或构造的平面间的内积，得出机械臂7个关节转角的余弦表达，从而获得了机械臂逆运动学分析的所有16组解析解；最后，以Kinova Jaco2 7自由度机械臂为数值实例求解，并通过SolidWorks仿真验证了所提方法的正确性。结果表明提出的方法具有几何直观性强和计算简明的特点，为其他7自由度机械臂的逆运动学求解提供了一种新思路。

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飞行作业机器人动态抓取的非奇异终端滑模自适应控制

陈彦杰, 于健业, 张振国, 钟杭, 张辉, 王耀南

机械工程学报. 2023, 59(23): 76-86. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.076

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飞行作业机器人是指搭载主动作业机构拥有与环境进行物理交互能力的一类新型机器人系统。针对飞行作业机器人在动态抓取时的稳定控制难题，设计了一种非奇异终端滑模自适应控制器，通过设计辅助系统提升飞行作业机器人在面向不确定接触力时的抗扰动性能。利用牛顿-欧拉方法对飞行作业机器人进行动力学整体建模。考虑到机载机械臂末端与物体之间的瞬时接触力是抓取时的主要干扰源，利用冲量定理建立接触力的动力学模型，提高了飞行作业机器人动态抓取时的建模精度。为降低动态抓取时剧烈扰动对飞行控制性能的影响，在控制器中设计辅助系统补偿可能出现的输入饱和问题，加强了处理瞬时扰动的能力。所设计的方法通过Lyapunov理论给出了稳定性证明。仿真和实验结果表明，提出的方法在飞行作业机器人动态抓取过程中具有更强的稳定性和更快响应的优势。

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双半球胶囊机器人滑滚驱动机理

张永顺, 邢立君, 董海, 马钰璘

机械工程学报. 2023, 59(23): 87-95. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.087

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为实现双半球胶囊机器人的精准移位，胶囊必须具有慢速移位控制功能。然而，低转速的双半球胶囊慢速运动时，容易受到胃肠凸凹表面的干扰，胶囊姿态稳定性差，精准移位控制困难。为此，提出流体环境内胶囊滑滚驱动控制策略，即通过流体环境内胶囊的高速空转解决姿态稳定控制问题，并利用滑滚运动实现胶囊慢速精确移位。以低雷诺数流体理论和弹流润滑理论为基础，计算双半球胶囊在胃壁表面滑滚运动的流体力和力矩，建立滑滚驱动动力学模型，对胶囊滑滚速度特性进行分析。仿真及实验表明：低雷诺数流体环境下利用滑滚驱动策略实现双半球胶囊慢速稳定移位功能切实可行，滑滚速度可通过改变控制参数实现精确控制，显著提高了胶囊移位精度。研究为借助流体环境改善胶囊的动态性能提供了理论依据。

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非均匀监测条件下滚动轴承剩余寿命预测方法

王宇, 刘秋发, 彭一真

机械工程学报. 2023, 59(23): 96-104. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.096

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退化过程的建模依赖时间和幅值的离散化，现有的退化建模方法大多基于时间均匀离散的假设。然而，在设备的日常运维中，由于传感器故障或操作人员失误等因素，可用监测数据会出现非均匀分布的情况(如旋转机械的关键部件滚动轴承的状态监测数据)，导致退化模型进行参数更新和剩余寿命预测时存在额外偏差。针对该问题，提出一种非均匀监测条件下的滚动轴承剩余寿命预测方法。首先，构造监测间隔相关的布朗运动项，以精确刻画非等间隔退化模型中随机参数的时间不确定性。在此基础上，提出了一种基于期望最大化算法和平方根容积卡尔曼滤波的非等间隔退化模型的参数动态推断方法，实现了滚动轴承退化状态与剩余寿命的自适应估计。通过滚动轴承全寿命试验实例，验证所提出剩余寿命预测方法的有效性。结果表明，在非均匀监测条件下，与其他指数退化模型相比，所提出的方法具有更高的预测准确度和更优的拟合性能。

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随机激励下亚音速二维粘弹性壁板的全局动力学

岳晓乐, 张慧康, 余钡, 张莹

机械工程学报. 2023, 59(23): 105-117. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.105

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飞行器或列车由于服役环境复杂，壁板结构往往受到多种激励作用，影响其正常使用与安全。为此，针对亚音速气流下粘弹性壁板在外激力、气动力和随机噪声联合作用下的全局动力学特性展开研究。通过全局分岔图，观测到了激变、逆倍周期分岔等一系列复杂的动力学行为，借助胞映射方法，获得了系统的吸引子、吸引域、鞍等全局信息，得到了系统响应演化过程中的瞬态与稳态概率密度函数。讨论了激励幅值和频率对壁板稳态响应的影响，发现确定性系统随着粘弹性参数和激励幅值的变化会呈现复杂的全局结构，揭示了激变现象的发生机制。随机激励下无论是瞬态还是稳态情形，系统随机响应的演化过程始终与确定性全局结构中的不稳定流形形状保持一致，激励幅值和频率的增加会导致稳态响应概率函数峰值的减小。研究结果对于壁板安全防护设计具有理论指导意义。

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带弹性环式挤压油膜阻尼器转子系统装配特性及试验研究

孙凯, 罗忠, 李雷, 葛向东, 郑思佳

机械工程学报. 2023, 59(23): 118-131. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.118

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弹性环式挤压油膜阻尼器(Elastic ring squeeze film damper, ERSFD)作为航空发动机中典型的稳定和振动控制结构，其装配特性(配合紧度)在一定程度上影响组合支承系统的刚度和阻尼，进而影响转子系统的动态特性，但相关研究尚少。为了研究配合紧度对ERSFD动态参数特性的影响，建立了考虑配合紧度的ERSFD耦合模型。采用短轴承理论，分析了配合紧度对弹性环变形、ERSFD油膜压力、油膜厚度和承载力的影响。然后，建立了考虑ERSFD配合紧度的组合支承转子有限元模型，探究配合紧度对转子系统动态特性的影响。结果表明，过盈配合将导致ERSFD转子系统临界转速升高，但ERSFD的减振效果不明显；间隙配合下ERSFD转子系统的临界转速降低，减振效果明显。最后，搭建了ERSFD转子试验台，通过数值仿真与试验结果对比，验证了部分仿真结果的正确性。

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基于形态帽积卷积自编码器模型的齿轮箱故障诊断

黄佳欢, 余建波

机械工程学报. 2023, 59(23): 132-145. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.132

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在旋转机械设备故障早期，振动信号掺杂着各种噪声以及无效信息难以提取出微弱的故障信号特征。为了解决此问题，提出一个新的深度神经网络模型，形态帽积卷积自编码器模型(Morphological hat product-convolutional auto encoder， MHP-CAE)，可有效用于机械设备的故障特征信息提取与识别。首先提出了一个形态滤波帽积层，无缝地嵌入卷积自编码器提取振动信号故障特征。为了克服使用单尺度形态学分析处理信号不全面、不准确的缺陷，采用多尺度形态帽积运算提取故障信号中的脉冲特征。采用基于峭度的方法来融合不同尺度的形态算子提取的特征所包含脉冲成分。最后，进一步利用残差学习连接编码器和解码器，获得良好的振动信号故障特征学习性能。通过单工况和多工况的齿轮箱故障诊断实验表明，MHP-CAE能够以无监督学习的方式对振动信号进行降噪和特征学习，具有良好的去噪和特征学习性能，其特征提取效果要优于一些最新的深度神经网络。

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深海海底钻机硬着底动力学建模与分析

刘鹏, 金永平, 刘德顺, 万步炎

机械工程学报. 2023, 59(23): 146-157. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.146

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以三支腿深海海底钻机为研究对象，为实现其水下布放时安全着底，针对钻机硬着底进行动力学建模与分析。首先，构建考虑钻机机体平面运动、脚板空间运动的7自由度钻机着底动力学模型；然后，通过法向考虑重复动加载问题、切向引入修正摩擦系数建立脚板-底质接触力模型，采用等效弹簧-阻尼法建立支腿轴向力模型，并同时考虑钻机与海水间的摩擦阻力及水动力等因素；最后，以我国“海牛Ⅱ号”深海海底钻机为例，对“海牛Ⅱ号”的着底过程进行数值仿真分析。结果表明：“海牛Ⅱ号”在硬着底过程中，钻机机体最大偏转角未超过1°，支腿脚板最大沉陷深度约为0.19 m，支腿油缸所受最大轴向力为714.9 kN，约为钻机自重下支腿静态轴向负载的12倍，机体质心最大合加速度为53.6 m/s²(约5.5g)，各项响应数值均在设计允许范围内，钻机在设定工况条件下能够实现安全可靠着底。

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三维CAD技术研究进展及其发展趋势综述

程锦, 叶虎强, 谭建荣, 刘振宇, 楼亦斌, 王荣

机械工程学报. 2023, 59(23): 158-185. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.158

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三维CAD软件是整个工业软件体系的核心与基础，但目前中国高端三维CAD软件市场被国外工业巨头所垄断，国产三维CAD软件在中端市场的占有率也很低，严重威胁我国工业系统的安全。为探明三维CAD发展方向，给出国产三维CAD软件高质量发展的可行路径，系统梳理了三维几何建模引擎、几何约束求解、CAD数据交换、CAD接口与二次开发、产品信息集成、设计知识处理、大规模装配、基于模型的定义等三维CAD关键技术的研究进展，探讨了其技术难点及发展方向；在深入调研国内外三维CAD软件发展现状的基础上，分析了国产三维CAD软件存在的差距及其根源；阐述了三维CAD软件集成化、智能化、云端化、专业化、一体化等发展趋势，并给出了国产三维CAD软件实现高质量发展的若干建议。

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3D打印导电生物支架的研究进展与挑战

李汶海, 张广明, 于尊, 韩志峰, 马令轩, 彭子龙, 肖淼, 徐林, 西永明, 兰红波

机械工程学报. 2023, 59(23): 186-210. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.186

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组织工程为修复或替换人体病变或损伤组织等再生医学提供一种崭新的解决途径。在组织工程中，生物支架作为关键要素(载体)之一，需要尽可能的模拟细胞生存的细胞外基质环境，既要具备生物相容性、生物可降解性和机械性能等，又要具备导电性来传导生物电性。加之，3D打印技术在复杂仿生结构制造方面具有不可替代的优势，已成为生物支架制造最流行的技术之一。因此，3D打印导电生物支架成为目前生物支架研究的热点之一。鉴于此，有必要对目前3D打印导电生物支架的相关内容进行整理和分析。主要简述导电生物支架的研究现状，介绍导电材料及导电化方法、导电生物支架的3D打印方法，并介绍其在神经细胞、骨细胞和心肌细胞中的典型应用，最后总结导电生物支架未来的发展方向。

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数控机床元动作链运动误差传递及综合精度建模

冉琰, 田轲, 窦一凡, 金传喜, 张根保, 慕宗燚

机械工程学报. 2023, 59(23): 211-220. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.211

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针对目前缺乏数控机床传动链内运动误差传递机理及传递链间精度耦合关系的研究，提出了一种基于元动作的数控机床运动误差传递及综合精度建模方法。首先对机床进行“功能-运动-动作”(FMA)分解，得到元动作和元动作链；然后从元动作单元的输出件入手，分析异层元动作间的运动传递机理，建立单条元动作链的运动误差传递模型；考虑相邻元动作链间同层元动作的耦合影响，基于概率分布及黑箱模型建立元动作链的综合精度模型。最后，以数控机床的转台分度运动为例，说明了该方法的合理性和有效性。

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目标参数驱动的点阵支架逆向设计方法研究

纪小刚, 方创, 王炜

机械工程学报. 2023, 59(23): 221-228. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.221

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面向微小多功能支架结构定制设计与原型制造需求，开展了基于数字光处理(Digital light procession, DLP)快速成形工艺的柔弹性点阵支架逆向设计与制备研究。基于体心立方晶胞(Body center cubic, BCC)衍生设计一款簇新胞元，利用Timoshenko梁理论对该胞元结构建立力学模型，求解其等效弹性模量，聚焦分析胞元几何参数与力学模型之间的映射规律。以空间尺寸约束下的定弹性模量点阵支架设计为主线，采用逆向分析方法，寻找匹配精准的填充方案。配制新颖柔弹性光敏树脂为成形材料，选用DLP成形工艺，实现对应点阵支架结构的高精、高效制备。结合数值模拟和物理试验，着重探讨逆向设计的点阵支架弹性模量与拟定值的差异。结果表明，仿真和试验所得结果均与拟定值基本吻合，佐证了逆向设计方法的可靠性，可为后续组织工程皮肤支架的研制提供理论基础。

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面向超精密加工的微观材料去除机理研究进展

陈磊, 刘阳钦, 唐川, 蒋翼隆, 石鹏飞, 钱林茂

机械工程学报. 2023, 59(23): 229-264. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.229

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随着超大规模集成电路、微机电系统、精密光学等高新技术领域对超高精度表面和结构需求的不断增加，超精密加工正成为各国争夺的科技“制高点”。超精密加工的本质是通过微观材料的可控添加、迁移或去除实现超高精度表面或结构加工。将重点综述单点金刚石切削、扫描探针加工、化学机械抛光和超精密磨削等几种以接触模式实现微观材料去除的超精密加工技术的研究进展，并系统总结了加工参数、加工工具、加工环境和加工对象本身物化特性对微观去除的影响机制，以及不同机制主导下的材料微观去除模型及适用范围。最后，总结了未来超精密加工技术发展至原子尺度实现材料可控去除将面临的挑战。

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刀具智能化关键技术的研究进展及发展趋势

叶文昌, 郭必成, 邓朝晖, 王伟, 邹伶俐, 刘超, 尹刚刚, 姜峰

机械工程学报. 2023, 59(23): 265-282. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.265

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随着航空航天、医疗器械、汽车制造等领域的发展，零部件的制造越发复杂化和柔性化，对刀具智能化的需求也越来越强烈。相对于传统刀具，智能刀具融合了传感器、数据处理、数字孪生等现代技术，在机械加工中应用智能刀具对改善零件质量，提高生产效率，降低生产成本效果明显。智能刀具系统实现了从智能刀具结构设计、切削状态监测、刀具状态感知到加工反馈控制的全过程闭环管控。提出智能刀具的内涵以及使刀具智能化的多种关键技术，从刀具智能优化设计、切削状态监测、刀具状态感知、切削过程调控四个方面综述了刀具智能化关键技术的研究成果。最后总结了智能刀具系统在未来制造业中的应用前景，指出了实现刀具智能化亟待解决的问题和未来的发展方向。

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钛合金框架类零件铣削用立铣刀设计与应用研究进展

李明星, 岳彩旭, 刘献礼, 陈志涛, 姜志鹏, 岳大荀, STEVEN Y L

机械工程学报. 2023, 59(23): 283-309. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.283

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钛合金材料以轻质、高强、耐腐蚀等优异特性在航空航天领域得到了广泛的应用，但良好的材料属性也为其加工带来难题，尤其对结构复杂的钛合金框架类零件切削，对刀具的设计、使用和性能评价都提出了更高的要求。首先分析了限制钛合金框架类零件切削性能发挥的影响因素，即切削力、切削温度和已加工表面残余应力，并以影响因素为约束总结了钛合金框架类零件加工用整体立铣刀几何结构、表面涂层和基体材料的研究现状；其次针对特定加工场景以影响因素为约束推荐了切削参数；随后将影响因素量化为便于识别统计的评价指标，即切削寿命、效率和表面完整性，进而阐述了刀具切削性能评价的研究进展。最后对整体立铣刀在钛合金框架类零件加工领域的发展与应用进行展望。随着新一代信息技术发展，将进一步推动刀具设计、使用与切削性能发挥的深度融合，助力钛合金框架类零件的高质量、长寿命、高效率切削。

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FeCrAl合金化学机械抛光粗糙度预测模型研究

郭江, 杨哲, 张鹏飞, 李琳光, 俞学雯, 潘博

机械工程学报. 2023, 59(23): 310-319. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.310

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FeCrAl合金由于具有较好的抗辐照能力以及耐高温蒸汽腐蚀等优点，已成为事故容错材料包壳乃至第四代反应堆的重要候选材料之一。然而，在化学机械抛光过程中，FeCrAl合金表面晶界高差的出现影响了其表面粗糙度，难以获得超光滑表面。因此，为揭示FeCrAl合金晶界高差的形成和演化机理，建立了考虑晶界高差的化学机械抛光粗糙度预测模型。首先，计算了加工过程中单颗磨粒的材料去除体积及有效磨粒数量；随后，基于弹塑性接触理论，得到了任意两种晶向之间的晶界高差稳定值，并实现了对表面粗糙度稳定值S_a的预测；最后通过工艺实验对提出的预测模型进行了验证。结果表明：在加工后，基于预测模型计算的表面粗糙度稳定值与实验获得的表面粗糙度值变化趋势一致，模型误差在17%以内。基于预测模型对工艺参数进行优化后，最终表面粗糙度稳定值S_a降低至1.2 nm，获得了超光滑表面。

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波动式超声铣削方法与钛合金后处理工艺的相容性研究

刘逸航, 周力, 韩雄, 张明亮, 耿大喜, 刘连星, 尹晓明, 姜兴刚, 张德远

机械工程学报. 2023, 59(23): 320-330. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.320

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在航空航天难加工合金加工领域，波动式超声铣削已被证明是一种可以在切削过程中同时提升加工精度和表面强化效果的新型精加工方法。在实际工程应用中，为了消除表面残余拉应力、便于缺陷检测，航空钛合金构件往往需要进行热处理和酸洗后处理工艺。然而，这些后处理工艺对波动式超声铣削强化效果的影响尚未被揭示。为了理解波动式超声铣削与其后处理工艺的相容关系，开展了不同工艺流程下的波动式超声侧铣与普通侧铣钛合金试验，并表征与对比残余应力、亚表面形貌、显微硬度等表面完整性参数。结果表明，与传统铣削-热处理-酸洗工艺流程相比，热处理-铣削-酸洗下波动式超声侧铣的工件表面仍保留了数值为252.01 MPa的残余压应力。为此，所提出了对航空钛合金构件的热处理-波动式超声铣削-酸洗工艺流程，既可与现有后处理工艺相容，又可一定程度保留波动式超声铣削的强化效果。

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考虑熔融沉积成型工艺稳定性的参数优化设计

翟翠红, 汪建均, 马义中, 冯泽彪, 任晓蕾, 丁春风

机械工程学报. 2023, 59(23): 331-342. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.331

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为了提高熔融沉积成型(Fused deposition modeling, FDM)工艺的生产速度和产品交货速度，需要增加3D打印设备数量或实施分布式本土化生产来扩大产能。因此，提高FDM工艺在批量化生产中的工艺稳定性和生产效率，将成为FDM技术未来广泛应用于工业领域的关键。该研究的目标是通过选择合适的FDM工艺参数设置，实现在较低的打印成本下相同型号或不同型号的3D打印机所打制件质量的一致性。首先，将高斯过程模型与裂区试验设计相结合，研究制件的压缩形变、打印时间和消耗线材的长度与关键工艺参数之间的关系。然后，考虑到工艺过程中的不确定性，利用区间数的距离来度量不同打印机所打制件压缩形变的裂区效应。最后，综合考虑裂区效应和打印成本建立多目标优化方案，获得FDM工艺的最优参数设计值。验证实验的结果说明了所提方法的有效性和可行性。该研究为实现FDM技术的标准化和产业化提供了重要思路。

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低温冷风微量润滑磨削钛合金换热机理与对流换热系数模型

刘明政, 李长河, 张彦彬, 杨敏, 崔歆, 李本凯, 高腾, 王大中, 安庆龙

机械工程学报. 2023, 59(23): 343-357. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.343

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钛合金磨削过程中工件表面热损伤已成为亟需解决的技术难题。微量润滑技术应用于钛合金磨削是实现可持续制造的发展方向，但存在热耗散和润滑减摩能力不足的技术缺陷。利用多能场辅助加工是解决以上技术难题的必然选择，低温冷风取代常温空气携带微量润滑剂，可显著提高磨削区液膜换热和润滑性能。但润滑剂物理特性演变规律及磨削区液膜换热机理等科学问题尚需揭示。基于此，研究了润滑剂低温物理特性演变规律，建立了冷风温度与润滑剂物理参数的量化映射关系。分析了低温冷风微量润滑砂轮工件界面流动液膜换热规律，建立了磨削区流动液膜换热量理论模型。进一步，建立了不同冷风条件下润滑剂对流换热系数模型。进行了流动液膜对流换热系数和低温冷风微量润滑磨削钛合金换热性能验证实验，结果显示，对流换热系数理论值与测量值吻合，冷风温度为-10 ℃时，误差为 8.5%；工件表面温度实验值和理论值变化趋势吻合，磨削深度为30 μm、冷风温度为-40 ℃时，误差为7.7%。研究结果为低温冷风微量润滑磨削钛合金提高工件表面完整性提供技术支持。

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C60纳米粒子切削液对15Cr14Co12Mo5Ni2WA齿轮钢切削特性的影响研究

黄景山, 刘国亮, 孙浩, 姚斌, 金林, 陈彬强, 曹新城, 王山城, 许浩, 蔡志钦

机械工程学报. 2023, 59(23): 358-371. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.358

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高强度钢15Cr14Co12Mo5Ni2WA的切削特性表现为切削力大，造成刀具磨损快与崩刃严重、加工精度保持性差。针对上述问题，提出将富勒烯C60纳米粒子混合切削液作用于金属切削过程中的刀-屑接触区(II变形区)和刀-工接触区(III变形区)，以改善切削性能。为此，基于修正库仑摩擦、赫兹接触等理论方法建立了C60纳米粒子在刀-屑接触中的减摩润滑预测模型，研究预测了切削接触界面间产生的“纳米滚动轴承”效应及减摩特性，通过摩擦磨损试验测定了不同浓度C60纳米切削液下的摩擦特性变化，采用超景深3D显微镜、SEM、拉曼光谱仪等先进测量手段表征分析了试样表面磨痕微观形貌、研究了摩擦磨损机理。切削试验结果表明C60纳米切削液具有很好的减摩效果，有效地降低了切削力、工艺系统振动、刀具磨损，切削性能显著提升。应用在插削加工过程中，表现出切削冲击振动导致的刀具崩刃现象明显减少、因冷焊撕裂造成的前刀面局部剥落现象消失，刀具使用寿命延长。

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考虑微观影响的磨削残余应力解析模型研究

丁子珊, 滕益康, 郭淼现, 李高鹏, 麦云飞, 吴重军, 郭峰, 林杰俊

机械工程学报. 2023, 59(23): 372-390. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.372

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马氏体时效钢磨削精加工后，通过组织均匀化可获得“高比强、高韧性”的表面性能，现已作为航空航天等领域关键结构件的优选材料。但在磨削高应变率和温升率作用下，由于微观组织与力热载荷在不同尺度上的相互制约，导致机械应力、热应力生成过程很难量化解析，从而给通过优化磨削工艺以控制残余应力分布带来了严峻的挑战。以微观组织中位错与织构演变为切入点，通过对马氏体时效钢3J33进行磨削试验，分析了工艺参数对位错与织构的影响规律，量化位错与织构对流动应力的影响，构建考虑位错与泰勒因子的流动应力模型和考虑位错与织构的磨削力模型与叠加热源温度场模型，并且在该磨削力磨削温度模型基础上，提出了基于机械和热应力加载与卸载的残余应力解析方法，并分析了残余应力的工艺敏感性以及微观组织的影响规律。结果表明，考虑微观组织影响的残余应力模型预测精度在X方向提升了16.45%，在Y方向提升了16.01%，且提高进给速度、砂轮线速度以及磨削深度有利于增大位错密度和减小泰勒因子，并且能够提高表面残余压应力。

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GFRP旋转超声振动套孔加工仿真及工艺研究

郑雷, 孙晓晗, 吕冬明, 刘子文, 朱卓志, 董香龙, 韦文东

机械工程学报. 2023, 59(23): 391-400. https://doi.org/10.3901/JME.2023.23.391

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玻璃纤维增强树脂基复合材料(Glass fiber reinforced plastic，GFRP)具有比强度高和比模量大等特点，广泛应用于航空航天、船舶军工和汽车制造等领域。针对GFRP复合材料制孔加工中容易出现分层、撕裂等缺陷，采用旋转超声振动套孔加工方法对其进行磨削制孔的理论和试验研究。分析了旋转超声振动套孔加工中单颗磨粒的运动学特性，基于Hashin失效准则，对GFRP复合材料最具代表性的0 °和90 °角度铺层玻璃纤维进行磨削常规和旋转超声振动套孔加工有限元仿真研究。相较于常规加工，超声振动加工使磨粒具有周期性动态冲击磨削效果，改变了材料的去除方式，降低了磨削力，结果表明：超声振动加工的轴向力最大降幅可达20.1%，同时有效抑制了出口分层缺陷，孔壁表面的纤维断口光滑平整，制孔质量得到有效改善。

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刊出日期：2023-12-05

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