2024年, 第60卷, 第7期　
刊出日期：2024-04-05
  

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    机器人及机构学
  • 基于工业机器人的复杂曲面磨抛关键技术综述
    邓建新, 袁邦颐, 黄秋林, 丁度坤, 辛曼玉, 刘光明
    机械工程学报. 2024, 60(7): 1-21. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.001
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    磨抛加工是提升零件表面质量和精度的重要方法之一。基于工业机器人系统的复杂曲面磨抛技术正逐渐成熟，凭借灵活、占地小、精度高、成本低等优势正逐渐取代人工磨抛和数控机床磨抛成为主流。通过分析基于工业机器人的磨抛加工原理，引出影响机器人磨抛加工精度效果的关键问题：磨抛加工轨迹的规划精度和力控制精度，前者关注加工效率和精度之间的平衡，后者则更侧重于加工的精度和一致性；从这两个方面出发，总结机器人磨抛系统加工轨迹规划方法和柔顺力控制策略的研究目的、特点和成果进展。机器人磨抛系统加工轨迹规划以应用与改进传统数控机床磨抛中常用的加工路径规划方法为主，出现了少量根据机器人特性提出的加工路径规划方法；磨抛柔顺力控制技术出现了被动柔顺、主动(阻抗控制、力/位混合控制)及智能控制等策略，对比分析了各方法原理、研究应用情况和优劣；并提出了未来可能的发展方向。为该领域的研究者提供指引。
  • 基于可操作度优化的冗余机械臂逆运动学求解方法
    杨晓航, 赵智远, 李云涛, 徐梓淳, 赵京东
    机械工程学报. 2024, 60(7): 22-33. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.022
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    在运动规划和控制中提升机械臂的灵活性和避免奇异至关重要，一种有效的方法是使可操作度指标最大化。然而可操作度指标是关节角度的非凸函数，优化该指标是一个巨大的挑战，为此提出一种加速度级可操作度最大化(ALMM)方法。首先，通过一种新的多层次同时最小化方案将位置级别的非线性优化问题转化到速度级别和加速度级别，在加速度水平重构最大化可操作度问题。其次，引入最小化速度指标保证系统的稳定性，并使关节角速度维持在较低水平。然后，结合关节的物理极限，将上述问题表述为标准的二次规划(QP)形式进行求解。以SSRMS构型冗余空间机械臂为例进行仿真验证，实验结果表明ALMM方法可以在完成轨迹跟踪任务的同时实现可操作度优化，对比实验证明ALMM方法的有效性和优越性。
  • 点胶机器人撞针磨损建模与不确定性分析
    刘水清, 付锦园, 沈骁, 韩旭
    机械工程学报. 2024, 60(7): 34-44. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.034
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    点胶机器人利用压电堆叠驱动撞针上下往复高速运动产生压力差实现喷射点胶，从而达到半导体与电子器件表面封装的目的。囿于核心零部件撞针磨损畸变导致使役精度寿命降低是点胶机器人最主要的故障模式之一。撞针材料为粉末冶金工艺制备的硬质合金，存在空隙率、晶粒度等材料微观结构差异性；撞针磨损涉及材料微观结构差异性和撞针冲击频率、轴向行程等多源不确定性因素影响，物理建模困难；与此同时，现有磨损模型基于宏观冲击条件构建，鲜有考虑硬质合金撞针材料的非均质特性。综合考虑撞针材料微观结构差异性与使役条件不确定性，构建多因素耦合冲击微动磨损模型。利用二次衍生的λ-PDF方法对撞针涉及的磨损参量进行不确定性建模，利用降维积分方法对撞针磨损情况进行不确定性传播分析。结果表明，所建模型和所提方法可以很好反映撞针冲击微动磨损情况，为国产长寿命、高精度、高可靠性点胶机器人的保质设计提供新视角和新方法。
  • 非结式消元7R双环球面机构运动学位移分析
    刘伟, 刘宏昭
    机械工程学报. 2024, 60(7): 45-53. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.045
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    提出一种7R双环球面机构运动学位移分析的方法。将球面4R机构连杆的方向矢量作为中间变量，建立关于其线性方程组，不进行结式消元，直接得到输入与输出一对一的运动学位移方程，位移分析结果与现有文献中数据一致。该方法的优点是不需将中间关节变量引入运动学位移方程，使得机构位移分析过程简化。使用该方法对一种多模式7R双环球面机构运动学位移进行分析，通过对运动学方程进行因式分解，确定了机构具有的两种运动模式和其共同位型，分析机构的转动工作空间。结果表明该7R双环球面机构具有一维转动位移子群与一维转动位移流形两种运动模式。提出的运动学位移分析方法，在分析结构参数对7R双环球面机构运动模式的影响方面具有一定的理论应用价值。
  • 面向精梳任务的高速变胞机构冲击动力学研究
    畅博彦, 韩芳孝, 周杨, 金国光
    机械工程学报. 2024, 60(7): 54-65. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.054
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    精梳机是生产高品质纱线的关键装备，高速化是其发展趋势。精梳机的钳板机构是典型的力/位组合约束变胞机构，高速运行时产生的钳口冲击力对钳板开闭口定时和须丛梳理质量影响很大，是制约精梳机转速提升的关键因素，但目前对钳板机构的冲击动力学研究还很不够，对通过优化机构参数来降低钳口冲击力还缺乏一套系统的理论和方法。以力/位组合约束精梳机钳板机构为研究对象，基于机构学和多体系统动力学理论，对钳板机构的结构组成和工作构态进行分析，建立各子构态机构的运动学和动力学模型。基于接触碰撞理论描述钳板机构构态切换时上、下钳板的接触碰撞过程，建立钳口冲击力计算模型和计及冲击力作用的钳板运动规律求解模型，并与冲量方法相结合连同虚拟样机仿真验证所建模型的有效性。为了保证充分的钳板闭合时间以提高须丛梳理质量，研究不同机构设计参数对钳口回弹量和回弹时间的影响规律，为高效能精梳机转速的进一步提升提供理论依据。
    • 机械动力学
  • Z4型冗余驱动并联操作器的驱动特性研究
    张俊, 吴成阳, 方汉良, 孙载超, 王凯龙, 汤腾飞
    机械工程学报. 2024, 60(7): 66-78. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.066
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    并联操作器作为串-并联式混联加工装备的核心模块，其驱动特性对系统性能至关重要。以Z4型冗余驱动并联操作器为研究对象，提出一类驱动特性评价指标，并基于该类指标对其进行任务空间优选和伺服扭矩参数预估。首先，采用封闭矢量法求解操作器的运动学逆解，并构建无量纲雅可比矩阵以评估其运动学各向同性。其次，运用Lagrange法建立操作器的刚体动力学模型，并基于最小二范数法进行驱动力分配。接着，选取末端刀尖点为参考点，定义加速度、速度和动态切削力的驱动各向同性指标和驱动扭矩指标。最后，基于所提指标，搜索综合性能良好的任务空间，确定伺服扭矩参数，并通过实验验证所选电机满足使用要求。
  • 基于振动及声学测量的风电叶片结构健康监测研究综述
    孙仕林, 王天杨, 褚福磊
    机械工程学报. 2024, 60(7): 79-92. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.079
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    叶片的健康状态对风力发电的效率和可靠性具有重要影响，其造价与损伤概率在风力发电机的各部件中位于前列。目前，国内外学者已针对风电叶片结构健康监测开展大量的研究，其中基于振动测量和声学测量的方法具有测量范围广、数据处理方便等优势。为了充分了解当前的研究进展，在阐述风电叶片各类结构健康监测方法的基础上，从基于固有特性的方法、基于健康指标的方法、基于统计建模的方法和基于机器学习的方法等四个方面综述了基于振动测量的相关研究，从基于独立麦克风测量的方法和基于麦克风阵列测量的方法等两个方面综述了基于声学测量的相关研究。最后，对论文涵盖的风电叶片结构健康监测方法进行总结，并展望了未来研究需要进一步关注的方向。
  • 板带轧机振动理论研究进展
    和东平, 王涛, 刘元铭, 徐慧东, 王君, 王志华
    机械工程学报. 2024, 60(7): 93-113. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.093
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    板带轧机振动理论的研究一直是轧制成形领域的前沿科学问题，对板材的质量和设备的稳定运行至关重要。随着轧机朝着大型化、高速化、连续化、智能化的快速发展以及大量新技术、新工艺的采用，板带轧机振动的研究已经逐渐从单一属性研究发展为以研究多态耦合振动为热点，从过去的线性研究转变为以非线性研究为重点。对板带轧机振动理论的研究除了要有合理的结构模型外，还依赖于对轧机振动的精确控制。为了充分认识板带轧机的动力学行为及振动特征，得到合理可行的控制策略，综述了国内外板带轧机振动理论的研究现状，分别从单向振动、多态耦合振动以及非线性振动三个方面进行了总结评价，分析了主动控制法和被动控制法在轧制成形过程中的应用现状，并结合当前钢铁行业发展趋势对板带轧机振动未来的研究方向进行了展望。
    • 机器人及机构学
  • 变截面单元环状周期结构固有频率分裂规律研究
    高楠, 王世宇, 夏春花, 魏振航
    机械工程学报. 2024, 60(7): 114-123. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.114
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    在实际工程应用中，环状周期结构往往存在变截面单元。针对因变截面单元周期特性而导致的固有频率分裂现象，基于力矩平衡关系，采用Hamilton原理建立一般性动力学模型。以贯穿孔为例，基于经典振动理论得到固有频率及其分裂规律。考虑分组模式拓扑构型，推导具体消除频率分裂的规则，深入分析贯穿孔的孔径、数量和位置等参数对频率及其分裂行为的影响。设计试件并搭建实验台验证理论模型的正确性和消除规则的有效性。研究结果表明：由于贯穿孔使局部质量和弯曲刚度同时减小，进而导致固有频率改变，增大孔径和数量使重频频率减小，使分裂频率的分裂程度增大；保持孔径的一致性和位置的对称性可有效消除分裂。该研究方法和结论可用于工程领域类似周期结构动力学问题的研究并指导结构的设计。
    • 机械动力学
  • 基于Kane方程的Delta并联机器人刚柔耦合动力学研究
    商德勇, 黄欣怡, 黄云山, 张天佑
    机械工程学报. 2024, 60(7): 124-133. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.124
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    针对Delta并联机器人在高负载和高速运行时，由刚度较小的从动臂发生弹性变形而造成的机器人定位精度降低和系统运行失稳等问题，采用假设模态法对从动臂杆件进行离散化处理，并基于Kane方程和增广拉格朗日乘子法建立了Delta并联机器人系统的刚柔耦合动力学方程，从而量化了从动臂连杆变形对机器人定位精度造成的影响。通过对比在相同跟踪轨迹下ADAMS模型仿真与MATLAB数值分析结果，两者的动平台质心运动轨迹基本重合且主动关节旋转角度偏差小于0.01 rad，验证了刚柔耦合动力学方程的正确性。最后，通过数值分析和Adams-Matlab联合仿真分析，得到机器人在不同负载条件下，末端动平台在X和Z方向的最大位移偏移量及主动关节驱动力矩最大偏差值，仿真结果反映了从动臂柔性对机器人动力学性能的影响规律，为机器人的精确控制提供了理论支撑。
  • 基于“桥式”阻尼声学黑洞结构的振动抑制机理分析
    汪恒, 黄薇, 季宏丽, 裘进浩
    机械工程学报. 2024, 60(7): 134-143. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.134
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    在工程中通常采用大面积敷设均匀阻尼材料的方式实现结构振动抑制，但是大量阻尼耗材的使用导致结构重量增加，而且振动抑制效率不高。声学黑洞(Acoustic black hole，ABH)作为一种新型轻质阻尼，通过结构厚度剪裁实现以高效波能量聚焦与耗散，近年来受到广泛关注。该研究提出“桥式”声学黑洞阻尼结构(Bridge-ABH，B-ABH)设计，将声学黑洞结构内嵌于阻尼层材料中，提升结构的振动能量耗散效率的同时减轻结构重量。通过有限元仿真建立B-ABH结构数值模型，研究了具有高损耗特征的B-ABH阻尼材料结构波能量传播特性。同时通过对B-ABH阻尼结构振动机械能流分析，探究了B-ABH结构特性对高阻尼材料中的能量耗散效率影响，揭示了B-ABH阻尼结构振动抑制机理。此外，采用附加质量进一步提升结构低频振动效果。研究结果表明，附加质量B-ABH阻尼结构相比较均匀阻尼层质量减少30%的同时，结构振动抑制在10～1 000 Hz频率范围内平均降低了4.6 dB。
    • 摩擦学
  • 响应型固体功能表面的浸润性可逆调控研究进展
    吴春亚, 孙瑞江, 侯博, 李曦光, 吴佳昊, 刘畅, 陈明君
    机械工程学报. 2024, 60(7): 144-173. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.144
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    浸润性可逆调控响应型表面是一种通过外部刺激响应材料或形貌可控微观结构实现静态/动态浸润性可逆转换的固体表面，可有效解决传统特殊浸润表面性能单一、结构固定等问题，更符合基础研究和工程现场的多样化、时变性应用需求。着眼于表面浸润性能主观调控中关键技术的发展态势，综述分析了响应型固体表面的类型特征、制备方法和应用前景。根据外部刺激类型，将响应型功能表面归纳为基于化学组成和基于微观结构两大类，重点围绕光响应型、温度响应型、pH响应型和磁场响应型等功能表面的响应材料、响应原理、调控机制及性能特点展开系统分析，聚焦于两类响应功能表面制备方法，梳理其基本原理、技术特色及其优劣性，并深入探讨了两类表面在可控油水分离、微液滴/流体操控等领域的潜在应用价值。最后指出了浸润性可逆调控表面在发展过程中需要面临的挑战和仍需注重解决的问题，希望能为后续人工响应型功能表面研究工作的大规模推进提供参考。
  • 磁场作用下水基磁流体对TC4与Si3N4摩擦学性能影响的实验研究
    王优强, 徐莹, 莫君, 何彦, 赵涛, 倪陈兵
    机械工程学报. 2024, 60(7): 174-183. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.174
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    钛合金(TC4)是一种航空航天中广泛应用的材料，其具有强度高、耐高温、耐腐蚀等优良特性，但其摩擦学性能限制了其进一步的应用。近年来水基磁流体作为一种智能环保型润滑剂在解决极端工况条件下的润滑问题发挥着巨大优势。利用摩擦磨损实验机研究了磁场作用下水基磁流体对钛合金摩擦学性能的影响。首先实验研究了水基磁流体的磁学性能。采用超声清洗机对原磁流体进行稀释，获得质量分数分别为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、10%、20%、36%稳定的水基磁流体。利用振动样品磁强计(VSM)、场发射透射电镜(TEM)和静态接触角测量仪分别测试了磁性颗粒的大小和形貌，研究了不同质量分数的水基磁流体的润湿性，探讨了水基磁流体的磁学性能。实验结果表明：Fe3O4颗粒呈球形，平均粒径为14 nm，具有良好的顺磁性。水基磁流体的润湿性随质量分数的增大而增大。其次，研究了水基磁流体的摩擦学性能。以TC4钛合金与Si3N4陶瓷球为试件，利用UMT-3往复摩擦磨损试验机测定了不同磁场强度下不同质量分数水基磁流体润滑时钛合金表面的摩擦因数，并用高精度粗糙度仪对磨损量进行测量。结果表明，通过与基液实验结果进行对比发现，不同质量分数的水基磁流体都表现出一定的减摩效果，其中质量分数为1.2%的磁流体减摩效果最好，摩擦因数降低了16.99%。但在施加外磁场时，不同质量分数的水基磁流体的磨损量都会比基液水润滑时有所增加。但是，随着颗粒质量分数和磁场强度的增大，磨损量逐渐减少。最后，通过实验数据对不同磁场作用下不同质量分数水基磁流体的摩擦学性能的作用机理进行分析，为水基磁流体将来在润滑领域的应用提供了实验依据。
  • 混合润滑下考虑表面形貌的齿面摩擦与接触特性
    陈守安, 肖科, 程功, 韩彦峰
    机械工程学报. 2024, 60(7): 184-194. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.184
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    齿轮传动系统在各种装备中有着广泛的应用，其性能的改善有着重要的价值。而齿轮接触界面的摩擦磨损情况与接触刚度特性对齿轮传动系统的整体性能有重要的影响。由于加工齿轮方法的不同，真实齿面具有不同的表面形貌，在考虑润滑的情况下这些齿轮的摩擦磨损和接触刚度也会不同。首先通过傅里叶变换和JOHNSON变换模拟生成不同加工方法得到的齿轮表面，然后采用三维线接触混合弹流润滑模型，求解得到膜厚与压力的分布，在此基础上计算摩擦因数并采用Archard模型计算磨损量，同时计算齿轮啮合过程中的接触刚度变化。得到三种典型加工形貌齿面的摩擦磨损与接触刚度在齿轮啮合过程中的变化情况。通过对比，确定了剃齿加工的齿面有更好的摩擦磨损特性和接触特性。在此基础上，对剃齿加工表面形貌齿面在不同速度和载荷下的摩擦学特性和接触特性进行了讨论。
  • 考虑磨损率随温度变化的列车制动摩擦块高温磨损仿真分析
    蒋鑫池, 卢纯, 莫继良, 陈孝婷, 张庆贺, 赵婧
    机械工程学报. 2024, 60(7): 195-202. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.195
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    随着铁路运输速度的提高和复杂线路的开通，制动闸片摩擦块的高温磨损问题日益凸显。为此，首先通过制动台架试验测得铜基粉末冶金摩擦块磨损率随温度的变化关系，然后建立了考虑磨损率随温度变化的摩擦块高温磨损仿真分析方法，最后研究了随温度变化的磨损率对摩擦块摩擦磨损行为预测准确性的影响。结果表明，制动摩擦块的磨损率随着温度的上升迅速升高。考虑随温度变化的磨损率与否，对于摩擦块的磨损量和磨损分布预测至关重要。当制动界面温度低于80 ℃时，不考虑界面温度对摩擦块磨损率影响时的预测误差在10%以内；当界面温度高于200 ℃时，不考虑磨损率随温度变化的摩擦块磨损预测误差超过60%。研究结果可为我国铁路列车制动摩擦块磨损行为的精准预测提供基础试验依据和可靠分析方法。
  • 粗糙表面轴承微极流体润滑的平均流量模型
    朱少禹, 张向军, 孙军, 王大刚
    机械工程学报. 2024, 60(7): 203-211. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.203
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    目前研究轴承的微极性流体润滑时，一般不考虑轴承表面粗糙度的影响。为处理重载工况下的轴承润滑需要建立综合考虑表面粗糙度和微极性流体综合影响的数学模型。基于平均流量法推导了适用于任意三维粗糙表面轴承的广义平均Reynolds方程。应用此方程分析了不同综合粗糙度均方根和表面方向参数下轴承的无量纲最大平均油膜压力随偏心率、无量纲微极流体特征长度和耦合系数的变化。结果表明，轴承的综合粗糙度均方根参数与无量纲微极流体特征长度和耦合系数具有很强的耦合特性。随着无量纲微极流体特征长度的减小或者耦合系数的增大，轴承的综合粗糙度均方根值越大，轴承的无量纲最大平均油膜压力越大。而且轴承的表面方向参数也具有类似的特性。提出的广义平均Reynolds方程是对现有微极流体润滑理论的补充，可以方便地用于任意三位粗糙表面轴承的微极流体润滑分析。此外，提出的广义平均Reynolds方程不仅适用于流体动力润滑领域的径向滑动轴承和推力轴承等摩擦副，而且也适用于混合润滑领域的活塞环-缸套等摩擦副。
    • 数字化设计与制造
  • 整体叶轮圆角立铣刀五轴U摆线剥铣轨迹规划
    李佳男, 魏兆成, 冯景洋, 王学勤
    机械工程学报. 2024, 60(7): 212-223. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.212
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    摆线剥铣工艺具有加工效率高、切削力小、刀具耐用度高的优点，然而由于缺乏五轴剥铣加工的轨迹规划方法，导致高效剥铣技术难以应用于整体叶轮加工。针对该问题提出一种整体叶轮圆角立铣刀五轴U摆线剥铣的轨迹规划方法。安排系列切削力实验，验证圆角立铣刀U摆线剥铣相较于现有球头立铣刀U摆线剥铣的加工优势。在此基础上建立叶轮模型降维映射关系，将三维叶根曲线映射到二维平面上，作为边界规划降维刀触点，基于刀触点与流道两侧叶片的比例关系计算刀轴矢量和刀位点，实现圆角立铣刀五轴U摆线剥铣轨迹初步规划。计算叶根过渡面上点到刀具特征面的距离，建立圆角立铣刀与叶根过渡面的干涉判据模型。使用投影法将干涉的叶根过渡面点集向刀轴矢量投影，计算刀具的最大轴向干涉量，从而优化刀位点排除叶根过渡面干涉。最后应用叶轮加工仿真验证五轴U摆线轨迹方法的有效性，结果表明五轴U摆线轨迹能够顺利实现整体叶轮圆角立铣刀剥铣加工，加工过程中无过切干涉，残留材料均匀，可为叶轮后续加工提供良好的基础。
  • 融合磨粒特征和工艺参数的粗糙度智能预测研究
    方从富, 李弘扬, 沈剑云, 吴贤
    机械工程学报. 2024, 60(7): 224-235. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.224
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    针对加工对象受磨削工具表面状态和工艺参数的综合影响而造成表面粗糙度难以有效准确预测问题，提出了融合磨粒特征和工艺参数的表面粗糙度智能预测方法。基于采集的金刚石磨粒图像，利用图像处理技术提取了工具表面的单位面积磨粒数、磨粒分布均匀性和磨粒出刃高度三个关键特征信息，并评价了提取的特征信息的有效性。在此基础上，提出了融合磨粒特征和工艺参数的粗糙度智能预测算法，开展了YG8硬质合金铣磨加工实验，并将加工结果与预测结果进行对比。结果表明：提出的智能算法可以提高粗糙度预测的准确性和稳定性，其预测的准确率可达到95.6%，而基于传统工艺参数回归模型的准确率仅为86.3%，所提出的方法为粗糙度智能预测提供了参考。
  • 数据-机理混合驱动下考虑刀具柔性的柔性加工工艺参数能效优化方法
    赵希坤, 李聪波, 杨勇, 吕岩, 姜书艳
    机械工程学报. 2024, 60(7): 236-248. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.236
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    在柔性加工过程中，加工任务不断变换导致加工刀具更换频繁，现有研究主要面向固定加工刀具开展工艺参数能效优化，无法快速响应加工刀具频繁更换的加工环境。为更好的满足变刀具条件下柔性加工工艺参数能效优化的需求，提出一种数据-机理混合驱动下考虑刀具柔性的柔性加工工艺参数能效优化方法。首先揭示变加工刀具条件下柔性加工能耗特性，构建数据-机理混合驱动的柔性加工能效优化模型，然后融合马尔科夫理论和优势动作评论算法，提出考虑刀具柔性的柔性加工工艺参数能效优化方法，最后通过案例分析与算法对比，验证所提出方法能在变刀具条件下实现柔性加工工艺参数的高效优化决策。
  • 基于差分融合长短期记忆神经网络数控机床热误差建模
    刘占广, 张云, 刘晴雨
    机械工程学报. 2024, 60(7): 249-257. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.249
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    数控机床的热效应是制约机床加工精度的主要因素，为了进一步提高机床热误差预测的精度，针对热误差表征参数温升和位移的相对量特性，引入差分预测，综合直接预测和差分预测的优点，提出一种基于差分融合长短期记忆神经网络的数控机床热误差预测模型。以某型号卧式外圆磨床为实验对象，按照不同电机频率设计四组实验，连续采集温度和刀具(砂轮)轴向伸长量数据，基于随机森林和特征交叉递归移除方法确定四个温度敏感点，随机选定训练集与测试集进行训练和预测，通过与现有普遍使用的人工神经网络方法对比验证，提出的热误差模型能够在数据趋势性和波动性间取得较好平衡，且预测结果有更高的精度和更好的鲁棒性，印证了引入差分预测的合理性，对于实际数控机床热误差预测补偿具有一定的参考意义。
  • 金属表面异形区域上色轨迹自动规划
    申世全, 任锟, 李永国, 韩蕴生, 项琬婷, 耿赫阳
    机械工程学报. 2024, 60(7): 258-265. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.258
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    金属表面上色在金属工程各个方面发挥着至关重要的作用，如改善金属抗氧化性、防腐性、绝缘性、装饰性和表面性能。为实现金属表面异形区域液体均匀上色，提出了一种自动轨迹规划算法。考虑接触角、表面张力和液滴质量，分析上色工艺并建立相邻液滴间距控制方程；针对彩图图片，采用二值化图像处理方法、Canny边缘检测和轮廓点排序算法提取目标异形区域，并顺序保存轮廓点；采用有理三次Bézier曲线，对提取区域轮廓进行偏置和插值；考虑两个相邻液滴间距，使用等弦长离散算法确定液滴位置。试验结果表明，所提算法可实现区域自动提取、上色轨迹自动规划和异形区域的均匀上色。
    • 制造工艺与装备
  • 双面研磨技术研究现状与发展趋势
    郭江, 潘博, 连佳乐, 杨哲, 刘欢, 高菲, 康仁科
    机械工程学报. 2024, 60(7): 266-288. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.266
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    近年来，随着半导体、光学制造等领域的飞速发展，对晶圆、光学窗口及密封环等薄平板件的需求越来越大，加工质量要求越来越高。双面研磨具有加工应力小、效率高等优点，被广泛用于薄平板件的加工。为梳理双面研磨技术发展现状，重点综述了双面研磨的机理、工艺、应用及装备的最新研究进展；分析了双面研磨理论模型对工艺的优化效果，总结了双面研磨工艺的应用现状。此外，全面比较了行业内代表性厂家双面研磨装备的技术水平，并指出了国内与国外的差距。在此基础上，对双面研磨技术的发展趋势进行了展望，为后续相关研究提供了参考。
  • 高性能镁合金电弧增材制造技术研究现状与展望
    李坤, 吉辰, 白生文, 蒋斌, 潘复生
    机械工程学报. 2024, 60(7): 289-311. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.289
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    高性能镁合金已成为运载装备轻量化的重要发展方向之一，而镁合金因其自身活泼的性质和较差的室温加工性，在传统制造技术中受到了很大限制。最近电弧增材制造技术因其沉积速率高、制造空间大、成形稳定、过程安全等特点成为高性能镁合金先进制备的重要手段之一。因此，系统综述了目前电弧增材制造镁合金的研究现状，重点综述了目前电弧增材制造技术以及其沉积态镁合金在成形、组织与性能上的特点。同时针对镁合金在制备过程中的热循环、热累积、性能薄弱等问题，总结了制备过程中的原位加工、镁合金焊丝设计、电弧成形精度控制与热处理优化等研究与现状。并根据已有研究指出了电弧增材制造镁合金存在的瓶颈问题并提出该领域需要发展与改进的方向。
  • 增材制造低活化钢研究现状及展望
    陈伟, 赵杰, 朱利斌, 曹海波
    机械工程学报. 2024, 60(7): 312-333. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.312
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    低活化铁素体/马氏体(Reduced activation ferritic/martensitic, RAFM)钢是目前较成熟的聚变堆结构材料，具有低活化特性的纳米氧化物弥散强化(Oxide dispersion strengthened, ODS)钢兼具辐照稳定性和良好的高温强度，是最有发展前途的聚变堆结构材料。概述了增材制造技术在聚变堆结构材料领域应用的典型案例。围绕热输入量、扫描策略、打印尺寸、粉末特性、热处理优化等方面分析了增材制造RAFM钢微观组织调控和力学性能优化的研究进展。评述了增材制造低活化ODS钢粉末制备、缺陷控制以及纳米相调控的研究策略。最后，总结了增材制造RAFM钢存在的机遇和低活化ODS钢面临的挑战，对其发展趋势和技术难点进行了展望。
  • 切削加工车削刀具断屑装置及技术研究综述
    刘安南, 刘战强, 蔡士祥, 赵金富, 王兵
    机械工程学报. 2024, 60(7): 334-349. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.334
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    金属切削加工过程中，当加工高韧性材料或切削用量选用不当时，容易产生带状或螺旋状连续切屑，这类切屑持续卷曲不断裂并且容易发生缠绕，切屑缠绕导致切削区域材料非稳定变形及切削力波动，严重的切屑缠绕还会刮擦划伤零件已加工表面，恶化加工表面质量，影响零件服役寿命。基于连续切屑形成及断裂机理，研发断屑技术与装置可实现切屑周期性断裂，消除或抑制切屑缠绕，从而可实现高质高效的切削加工。首先，对切屑运动状态及断裂机理进行阐述；其次，分别论述了嵌入式断屑器、刀具织构化断屑、高压射流断屑、优化切削工艺参数断屑和专用断屑装置等车削断屑方法，并对这些断屑装置与技术方法的工作原理和断屑效果进行对比分析，总结出其优势和不足；最后，在切屑断裂判据、可转位刀片断屑结构设计、断屑过程仿真模型、断屑技术创新优化方面对断屑研究的理论和应用发展提出展望。
  • 齿轮高效精密磨削加工及表面完整性控制技术研究进展
    丁文锋, 赵俊帅, 张洪港, 赵彪, 司文元, 宋强, 黄庆飞
    机械工程学报. 2024, 60(7): 350-373. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.350
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    随着航空等高端装备工业的发展，传动齿轮高效率、高精度、高可靠性的需求日益增加。磨削加工技术是齿轮精密成形加工的重要工序，对齿轮的表面质量和服役寿命有着重要影响。由于齿轮的齿面结构复杂，淬硬表面材料难加工，齿轮磨削过程中存在磨削力大、磨削温度高、磨削表面质量难以控制等问题，因此，国内外针对齿轮磨削加工技术开展了大量深入、系统研究并运用于实际生产中。在概述齿轮磨削加工研究发展现状的基础上，总结了国内外学者在齿轮高效加工、精密加工、磨削表面完整性创成机制等方面的主要研究成果。最后，对齿轮高效精密磨削加工技术的发展趋势进行了总结和展望，旨在为高性能齿轮制造提供理论和技术指导。
  • 搅拌摩擦沉积增材技术研究现状
    杜文博, 李晓亮, 李霞, 胡深恒, 朱胜
    机械工程学报. 2024, 60(7): 374-384. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.374
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    作为一种新兴固相增材制造技术，搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition，AFSD)因其能够形成类似锻造微观结构而引起学者们广泛研究。目前，研究成果多集中于工艺机理、工艺特征和应用等方面。在工艺机理方面，AFSD工艺过程中过渡区与沉积区的材料流动机制、热量的产生与传递机制、微观结构演变机制和工艺参数-材料流动-热场演变相互作用机制等得到揭示。在工艺特征方面，研究发现AFSD具有固相、近净成型和界面混合等宏观特征，细化和等轴微观特征，这些特征深刻影响AFSD试件在硬度、拉伸等力学性能方面的表现。在应用方面，AFSD适用金属材料在不断拓展，在增材制造、涂层和复合材料制造、修复等领域表现出广泛潜力。综合工艺机理、工艺特征和应用等方面的研究进展，可知对AFSD的探索仍处于初级阶段，其高效率、高质量和低能耗的增材特性赋予其巨大的发展潜力。
  • 高性能镁合金增材制造技术研究进展
    郑洋, 赵梓昊, 刘伟, 余政哲, 牛伟, 雷贻文, 孙荣禄
    机械工程学报. 2024, 60(7): 385-400. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.385
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    镁合金在航空航天、轨道交通、新能源、生物医用等领域具有广阔应用前景，增材制造技术(Additive manufacturing)的发展为成形复杂结构的高性能镁合金构件提供了可能。然而，镁合金熔沸点低、蒸气压高、氧化性强的特点易使增材制造构件内部形成孔隙、裂纹、夹杂物等缺陷，导致增材制造镁合金的应用水平远远落后于高温合金、铝合金、钛合金等材料，开发适用于镁合金的增材制造技术并通过材料改性与工艺优化减少冶金缺陷是突破增材制造镁合金应用瓶颈的关键。镁合金增材制造技术主要有激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)、电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)以及搅拌摩擦增材制造(Friction stir additive manufacturing, FSAM)和搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition, AFSD)。通过归纳梳理镁合金增材制造技术的研究现状与技术进展，总结了镁合金在不同增材制造技术成形过程中的数值模拟研究结果，对比分析了不同增材制造技术关键工艺参数对镁合金构件组织结构和力学性能的影响，并对镁合金增材制造技术未来的研究重点进行了展望。
  • 单晶4H-SiC的摩擦诱导化学机械复合加工(FCMM)实验研究
    张博楠, 黄辉, 武民
    机械工程学报. 2024, 60(7): 401-410. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.401
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    单晶碳化硅(SiC)凭借其优异的材料性能成为下一代电力电子器件和光电子器件的优选衬底材料,但碳化硅的高硬脆性，强化学惰性对其高效精密加工带来了巨大挑战。提出一种基于摩擦诱导化学作用与低硬度磨粒机械作用复合的SiC晶片加工新思路。跟踪了4H-SiC在不同铁基烧结盘以及不同加工工艺参数下材料去除率随时间的变化；检测了加工后晶片的表面质量及亚表面损伤。实验结果表明摩擦诱导化学机械复合加工方法通过摩擦诱导实现金属与碳化硅的固相化学反应，并利用低硬度磨粒机械去除固相化学反应产物。加工后的亚表面中并未在纳米尺度下观察到晶体变形和晶格缺陷。加工初始阶段的材料去除率最高可达1 025 nm/min，稳定阶段的材料去除率最高可达385 nm/min。工艺参数对加工过程中的固相化学反应速率有着重要的影响，低硬度磨粒实现对化学反应粘附物的机械去除，可以有效提高材料去除率。实验结果证实了本文提出的新型加工思路的可行性，其总体加工效率明显高于现有加工方法，为实现单晶SiC晶片的高效精密加工提供了新的研究思路。
  • DED熔池熔凝行为与枝晶形貌对拉伸强度的影响
    宋博学, 王子生, 陈克强, 姜兴宇, 于天彪, 刘伟军, 杨国哲
    机械工程学报. 2024, 60(7): 411-424. https://doi.org/10.3901/JME.2024.07.411
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    熔池不稳定的瞬态对流与传热传质特征导致沉积层机械性能呈现强烈的各向异性。为探究沉积层枝晶形貌特征对拉伸性能强化差异的影响规律，构建面向热-流耦合的介观熔池动力学模型并探究熔池从产生到准稳态过程中的瞬态对流与热特征演变规律，获得了熔池凝固边界附近的温度梯度与凝固速率等凝固条件。通过WBM相场模型获得了沿凝固边界不同凝固条件诱发的枝晶形貌预测结果，同时探究了凝固条件的变化对一次枝晶臂间距、枝晶尖端半径和枝晶尖端过冷的影响规律，揭示了枝晶形貌特征对沉积层不同部位半定量拉伸强度的强化趋势，结果表明受枝晶形貌特征诱发的拉伸强化值在沉积层底部与中部的差异达到了99 MPa，进而对枝晶形貌特征对拉伸强度的强化机理进行了详细讨论。为实现单/多层定向能量沉积拉伸性能的可调可控提供了理论依据。
机械工程学报
Journal of Mechanical Engineering
ISSN 0577-6686
CN 11-2187/TH

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