2024年, 第60卷, 第9期 
刊出日期:2024-05-05
  

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    超声振动辅助加工
  • 苏志朋, 梁志强, 李娟, 王飞, 魏正义, 刘月红, 金惟薇, 马悦, 殷振, 王西彬
    机械工程学报. 2024, 60(9): 5-12. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.005
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    微铣削是实现航空微小零件精密加工的主要方法,但是受尺寸效应影响,使用该工艺加工钛合金等塑性高且强度大的材料时,易产生严重的切削变形以及毛刺等缺陷,影响微小零件加工质量。针对钛合金微槽加工过程中出现塑性变形大以及毛刺损伤严重的问题,提出超声螺线辅助铣磨加工方法,将平面加工轨迹转变为三维螺线,进而实现微铣磨工具的端面和圆柱面与工件周期性分离,降低微铣磨力,改善微槽加工质量。开展超声辅助钛合金微槽铣磨加工仿真与试验研究,对比分析不同超声振动方式对微槽毛刺尺寸、表面质量、分形维数以及微铣磨力的影响,结果表明,相比无超声辅助、纵扭超声辅助以及切向超声辅助加工方法,超声螺线辅助加工得到毛刺尺寸最小,表面粗糙度最低,分形维数最大,微铣磨力最小。钛合金微槽加工质量得到了提高。验证了超声螺线辅助加工方法在钛合金微槽加工中的优势。
  • 武韩强, 陈卓, 叶曦珉, 张诗博, 李偲偲, 曾江, 汪强, 吴勇波
    机械工程学报. 2024, 60(9): 13-25. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.013
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    鉴于钛合金的难加工特性,提出了超声辅助等离子体氧化改性磨削新方法。首先介绍了新方法的加工原理,并基于加工原理构建了实验装置;其次就不同电解质溶液对等离子体氧化层生长方向,工艺参数对等离子体氧化层厚度的影响规律开展研究;随后表征等离子体氧化层表面主要化学成分、显微硬度,并利用单点磨削实验揭示等离子体氧化层的材料去除行为;最后对比有、无氧化层的磨削加工特性。研究表明: Na2SO4溶液下的氧化层主要向内生长;在工艺参数中,降低进给速度和增加超声振幅可以提升氧化层厚度;氧化层较低的硬度和疏松多裂纹结构提高了钛合金的切削加工性。相比于无氧化层的传统磨削,超声辅助等离子体氧化改性生成的氧化层可以降低磨削力,提升表面质量,减少砂轮磨粒脱落和磨屑粘附。
  • 董志刚, 王中旺, 冉乙川, 鲍岩, 康仁科
    机械工程学报. 2024, 60(9): 26-56. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.026
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    碳纤维增强陶瓷基复合材料(Cf/SiC复合材料)具有良好的化学和热稳定性、高比强度、耐高温以及低密度等优点,被广泛应用于航空航天、高速列车以及核能等领域。目前陶瓷基复合材料构件普遍采用近净成形技术制备,但仍需进行二次加工以满足最终装配的尺寸精度和几何公差。然而,由于Cf/SiC复合材料具有各向异性和多相非均质的材料特性,其高效低损伤加工需求备受关注。因此,系统地综述了文献报道的Cf/SiC复合材料超声振动辅助铣削加工技术相关研究进展。首先概述了陶瓷基复合材料传统机械加工以及特种能场辅助加工技术的研究现状。其次,从陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工过程中直角切削试验和有限元仿真两方面总结了材料去除机理和超声作用机制;介绍了陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削中切削力建模的方法和陶瓷基复合材料加工表面损伤及其剩余强度方面的研究。最后,分析了陶瓷基复合材料超声振动辅助铣削加工的发展趋势以及展望未来研究方向。
  • 殷振, 张坤, 戴晨伟, 程敬彩, 徐海龙, 李华
    机械工程学报. 2024, 60(9): 57-74. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.057
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    为探究超声椭圆振动磨削下砂轮磨损机制及其磨削性能,选用SiC陶瓷为加工对象,分别开展普通磨削(Conventionalgrinding,CG)、超声椭圆振动磨削(Elliptical ultrasonic vibration assisted grinding,EUVAG)的砂轮磨损试验。首先,利用超景深显微镜追踪观测砂轮表面微观形貌,并表征磨粒磨损形式,包括统计分析磨粒磨耗平台面积、磨粒出刃高度等,从而揭示超声椭圆振动对砂轮磨损机理的影响;其次,分析砂轮磨损对磨削过程(磨削力、比能和材料去除率)和工件表面质量(表面粗糙度、微观形貌)的影响规律,以及不同磨损状态下砂轮主要磨削性能随加工参数的变化规律。研究表明:相比CG,EUVAG能够减少磨粒大破碎和脱落比例、增大磨耗平台面积、延缓磨粒出刃高度下降速度;随着磨损状态的增加,两种磨削方式的磨削力总体上呈先快速增长、后波动性起伏、再小幅度下降趋势;超声椭圆振动的引入可显著降低磨削比能(es),且稳定磨损阶段的降低幅度范围为12.4%~ 34.0%;不论CG还是EUVAG,材料去除率均随磨损状态的增加而先增长、后减小,且EUVAG在磨损状态4时,材料去除率取得最佳值38.2×106 μm3/mm·s;在稳定磨削阶段,两种磨削方式的划痕表面均以脆性断裂为主,但施加超声椭圆振动有助于形成延性光滑平面。此外,总体上,较高磨削速度、较低进给速度更有利于降低磨削力;在各磨损状态下,提高磨削速度是降低表面粗糙度的直接手段,但不同磨损状态下获取最低表面粗糙度的进给速度不同。
  • 梁奉爽, 吴明阳, 刘立飞
    机械工程学报. 2024, 60(9): 75-85. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.075
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    碳化硅是空间光学元件理想材料之一,但其磨削亚表面会产生较严重的面损伤,影响光学元件生产效率、性能发挥及使用寿命。为了更好地控制碳化硅超声磨削亚表面损伤,开展了超声辅助磨削数值仿真和试验研究,建立磨粒的运动轨迹方程,研究加工参数对运动学特性的影响规律,分析超声振动辅助对磨削过程材料去除的影响机理,讨论加工参数影响下的碳化硅超声磨削去除机理和亚表面损伤特征,建立亚表面损伤深度预测模型。结果表明,施加超声振动辅助后磨粒的运动学特性发生周期性变化,磨粒周期性地冲击工件;碳化硅在超声磨削过程中主要有三种去除方式:穿晶裂纹撕裂晶粒发生脆性断裂去除、晶界裂纹扩展至碳化硅表面导致单颗晶粒脱落以及晶界裂纹沿多颗晶粒的晶界扩展至碳化硅表面导致块状脱落;经验证,亚表面损伤深度模型预测精度较好,预测值与检测值的方差为0.219。
  • 陈守峰, 王成勇, 李伟秋, 丁峰, 卢耀安, 周玉海
    机械工程学报. 2024, 60(9): 86-96. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.086
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    石墨模具铣削加工过程中存在严重的表面破碎问题,超声振动辅助加工能够显著减少表面破碎,提高加工质量。然而,目前缺少超声振动辅助铣削石墨材料的材料去除机理和加工质量评价相关研究。通过超声振动辅助铣削实验,研究了石墨材料超声振动辅助铣削去除机理和加工表面质量影响因素;分析了超声振动辅助对切削力、声发射信号强度、切屑和表面形貌特征的影响;探究了加工工艺参数对表面粗糙度的影响规律。结果表明,石墨材料铣削加工材料去除机制主要分为微破碎去除和大块破碎去除两类。超声振动辅助能够提高材料微破碎去除机制比例,提高加工质量,同时降低切削力约25%和声发射信号强度。通过工艺参数实验发现,超声振动辅助铣削条件下,降低径向切削深度和每齿进给量能够降低表面粗糙度2倍以上。选择合适的超声振幅有助于抑制表面破碎和提高加工表面质量,但是增大切削速度会削弱超声振动作用,过大的超声振幅也会导致表面质量变差。综上,超声振动辅助对抑制石墨铣削加工表面破碎具有明显效果,为进一步解决石墨加工表面破碎问题提供指导。
  • 周京国, 张宇航, 隋天一, 行登海, 董宝昆, 付清宇, 付俊帆, 林彬
    机械工程学报. 2024, 60(9): 97-113. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.097
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    超声振动铣削中分离-接触特征会影响钛合金的高效高质量加工,为了更深入的认识分离-接触特征对超声振动辅助铣削的影响,建立了接触率、平均切厚比的铣削模型,并提出基于平均切厚比的超声作用判别准则;通过开展铣削实验,讨论了周期性与持续性接触超声铣削中接触率与平均切厚比的作用机理;研究了不同铣削与超声参数对刀具磨损的影响规律。结果表明:在纵向超声振动辅助铣削钛合金时,分离效应与平均切厚效应共同作用使得超声加工相较于传统加工能改善加工质量,在周期性接触铣削中,刀具-工件周期性接触的间歇切削现象引起的分离效应是铣削力与表面质量改善的主要因素,在持续性接触铣削中(接触率为1),单位周期的平均切削厚度降低现象引起的平均切厚效应使得在一定范围内刀具-工件不分离也能降低铣削力,改善表面质量; Ti-6Al-4V钛合金存在临界切入速度值,约为42 m/min,合理搭配主轴转速及超声振幅可改变切入速度以防止刀具磨损,这对钛合金的高效高质量加工与工艺控制具有重要的作用。
  • 王艳, 何顺, 陈奕璋, 姜晨, 钱兆峰, 陈浩毅
    机械工程学报. 2024, 60(9): 114-126. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.114
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    金刚石线锯切割单晶硅片作为半导体制造技术中的关键一步,切片质量直接影响着芯片制造的质量和成本。提出了一种超声空化辅助金刚石线锯切割单晶硅片的方法,利用空化气泡溃灭产生的微射流和水锤压力,达到加速切屑的排出,减小锯切力,改善线锯的锯切性能,降低工件表面粗糙度的目的。基于Rayleigh方程,推导了加工区的气泡动力学方程。采用SPH-FEM耦合方法,使用ABAQUS软件建立了近壁面微射流冲击的三维流固耦合模型并进行仿真分析。微射流产生水锤压力峰值的仿真数值与理论数值最大误差为9.67%,验证了理论结果及仿真模型的可靠性。进行了超声空化辅助金刚石线锯切割单晶硅试验。结果表明:超声空化辅助线锯锯切力比传统线锯锯切力降低11.9%~34.5%,超声空化辅助线锯切割加工后的工件表面粗糙度值下降5.03%~37.25%,工件表面的凹坑数量和大小均降低,表面形貌得到很大改善,表明超声空化辅助线锯切割单晶硅可以获得更好的加工质量。
  • 吴杰, 党嘉强, 李宇罡, 陈东, 安庆龙, 王浩伟, 陈明
    机械工程学报. 2024, 60(9): 127-136. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.127
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    从理论分析角度探讨了超声滚压与单轴拉伸弹性应力场耦合的基本原理,并通过有限元模拟和实验表征依次从数值仿真和实验角度对理论分析结果进行验证,从而发展了一种先进的表面机械强化新工艺—应力超声滚压,并将其成功应用于TiB2/2024和TiB2/7050铝基复合材料表面机械强化效果的增强和抗疲劳性能的提升。结果表明,相较于普通超声滚压,应力超声滚压对TiB2/2024和TiB2/7050铝基复合材料表层压缩残余应力峰值的提升可分别达到所施加单轴拉伸弹性应力水平的45%和70%,可将压缩残余应力影响层深度提升约100 μm,从而将两种复合材料样品的疲劳极限在普通超声滚压强化的基础上分别进一步提升6%和5%。
  • 郑开魁, 赵信哲, 牟刚, 任志英
    机械工程学报. 2024, 60(9): 137-151. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.137
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    采用超声波滚压工艺对TC11钛合金表面进行光整强化加工,利用OM、白光干涉仪、SEM、EDS和XRD研究了超声波滚压工艺参数对钛合金表层的微观结构和表面粗糙度的影响规律;采用显微硬度计、多功能摩擦磨损试验机研究了滚压表面的硬度和摩擦磨损性能。研究结果表明,钛合金表面粗糙度随着滚压功率、滚压次数、静压力、压下量、主轴转速和进给量的增加呈先降后增的趋势,分别在滚压功率660 W、滚压次数5次、静压力0.20 MPa、压下量0.15 mm、主轴转速200 r·min-1、进给量0.10 mm·r-1时达到最低值。随着功率的提高,钛合金表面硬度增大,摩擦因数和磨损量降低;随滚压次数、静压力、压下量、主轴转速和进给量的增加,表面硬度呈先升后降的趋势,摩擦因数和磨损量呈先降后升的趋势,在滚压功率990 W、滚压次数5次、静压力0.20 MPa、压下量0.15 mm、主轴转速200 r·min-1、进给量0.10 mm·r-1时,硬度达到最高值,摩擦因数和磨损量达到最低值。对工艺参数进行响应曲面优化,获得优化工艺参数为滚压功率990 W、滚压次数5次、静压力0.20 MPa、压下量0.15 mm、主轴转速198 r·min-1、进给量0.10 mm·r-1。与滚压前的钛合金表面相比,表面硬度从338 HV增至461 HV,提高了36.4%;表面粗糙度从1.88 μm降至0.19 μm,下降了89.9%;磨损量从0.60 mg降为0.10 mg,降低了83.3%。
  • 吴淑晶, 王大中, 谷顾全, 黄帅, 董国军, 郭国强, 安庆龙, 李长河
    机械工程学报. 2024, 60(9): 152-167. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.152
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    综述多能场高性能加工复杂曲面关键技术的最新进展,展示该领域研究成果中的关键科学与技术问题。首先,系统分析了超声振动辅助加工技术、激光加工技术和电火花加工技术等高能场在复杂曲面加工中的应用形式与工艺特点。其次,揭示了电解加工技术、微量润滑绿色辅助加工技术和磁力辅助研磨加工技术等非高能场加工技术对复杂曲面加工效率与表面质量的影响机制。同时,将多个能场的优势相结合,突破多能场应用的关键技术,改善复杂曲面的加工效果。系统分析了多能场复合加工技术中低能场与低能场、高能场与低能场耦合的技术发展现状。最后,分析多能场复合加工技术中能场叠加带来的技术局限性,并对该技术领域未来的发展态势进行展望,为多能场高性能加工复杂曲面的工程应用提供参考。
  • 激光辅助加工
  • 温秋玲, 杨野, 黄辉, 黄国钦, 胡中伟, 陈金鸿, 汪晖, 吴贤
    机械工程学报. 2024, 60(9): 168-188. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.168
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    玻璃、半导体、蓝宝石、陶瓷和硬质合金等硬脆性材料被广泛应用于建筑、生物医疗、航空航天、集成电路、新能源、光电显示、轨道交通、海洋等领域。但是其高硬度、大脆性、高耐磨性和耐腐蚀等特性也给它们的加工带来巨大挑战。目前,机械加工、离子束加工、化学蚀刻、激光加工等方式是加工硬脆性材料的主要方法。但是这些加工方式依然存在加工效率和加工质量不可兼得的瓶颈问题。为此,研究人员提出了将激光加工和其他加工方式结合起来的复合加工方法,旨在实现硬脆性材料的高质量和高效率加工。概述了主流的基于激光复合的硬脆材料加工方法,主要包括其他方式辅助激光加工、激光辅助其他方式加工、激光辅助激光加工;重点阐述了这些激光复合加工技术的加工原理、研究现状和加工效果;总结了不同激光复合加工方法的优势、局限性和应用场景,最后对激光复合加工硬脆性材料的未来发展趋势提出了展望。
  • 李继成, 陈广俊, 许金凯, 于化东
    机械工程学报. 2024, 60(9): 189-205. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.189
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    C/SiC复合材料具有高比强度、低密度、低热膨胀系数、耐磨损、耐高温等优异的机械与力学性能,广泛应用于航空航天、国防、电子等领域。但因其特殊的组织结构与材料特性,在加工中极易产生纤维拔出、剥落、微裂纹扩展、破碎等损伤或缺陷,直接导致加工难度大、刀具磨损快、加工精度低、表面质量差,严重制约了高端装备的性能。开展C/SiC复合材料激光超声复合微切削(L-UHM)材料损伤机理与表面质量研究,分析激光超声双能场作用下C/SiC复合材料的失效机制。基于正交切削模型建立常规加工(CM)、激光辅助加工(LAM)和L-UHM微观切削模型,揭示CM、LAM和L-UHM中三种典型纤维方向下纤维相与SiC基体相的去除机制,评价不同纤维方向下微观形貌和表面粗糙度。结果表明,激光超声复合微切削可显著降低纤维断裂能,抑制纤维弯曲,缩小SiC基体破碎面积,大幅提升加工表面质量。相比CM和LAM,L-UHM可明显抑制纤维开裂、基体破碎及基体裂纹扩展,纤维断口更加平整规则。此外,在L-UHM中顺纤维方向表面质量较LAM提高了10.1%,证明了理论分析的正确性。
  • 李晗, 章程, 陈杰, 安庆龙, 陈明
    机械工程学报. 2024, 60(9): 206-217. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.206
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    现代航空部件对材料的耐高温性、高强度和轻量化提出了更高要求。SiCf/SiC复合材料具有优异的综合性能,但其高脆性和各向异性使其高性能制造面临挑战。通过激光烧蚀预实验,掌握了SiCf/SiC复合材料激光烧蚀产物的物相组成和烧蚀机理,探究了激光参数对烧蚀性质的影响规律。通过常规铣削和激光烧蚀辅助铣削的对比实验,分析了常规铣削、部分烧蚀-铣削和完全烧蚀-铣削三种不同加工策略的材料去除机理,探究了烧蚀层占比对加工表面质量的影响规律。研究表明:激光烧蚀产物主要由3C-SiC和非晶态SiO2组成。常规铣削加工中,纤维发生宏观脆性断裂,已加工表面存在多处裂纹、凹坑等加工缺陷。部分烧蚀-铣削中,纤维断裂以微观脆性断裂为主,少部分位置发生了纤维拔出和宏观脆性断裂。完全烧蚀-铣削加工中,纤维发生了微观脆性断裂,基体发生鳞状破碎。激光烧蚀辅助铣削加工质量优于常规铣削,部分烧蚀-铣削和完全烧蚀-铣削的表面粗糙度基本相同。低烧蚀层占比和高烧蚀层占比下进行铣削加工切削力差距较小。低烧蚀层占比的铣削加工中,纤维以微观-宏观脆性断裂为主;高烧蚀层占比的铣削加工中,大部分纤维发生了微观脆性断裂。综上所述,部分烧蚀-铣削和低烧蚀层占比是较优的加工方案。
  • 刘鑫, 张俊, 徐斌斌, 刘弘光, 赵万华
    机械工程学报. 2024, 60(9): 218-228. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.218
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    激光辅助加工(Laser-assisted machining,LAM)通过激光热源对工件待切削区域进行预热,提高难加工材料可加工性,从而在减小切削力的同时提高加工效率。其中,激光加载下的预热温度场控制是LAM的核心科学问题之一。通过对实际激光器输出光束质量的定量与定式表征,构建移动激光热源加载下的温度场解析求解式,并以激光辅助面铣下切削区域温度场均布为目标,提出激光扫描预热温度场均衡控制方法。依据激光扫描预热方法,搭建温度场测试实验台,通过表面与内部测温验证激光预热温度场求解的准确性。进而开展预热温度场优化前后的激光辅助铣削加工与传统铣削加工,对比三种工况下的铣削力特征与已加工表面粗糙度,结果表明温度场均衡控制下可有效降低铣削力10%以上,降低表面粗糙度30%,且能进一步提升已加工表面质量。综上所述,提出的激光预热温度场正向调控方法可有效调控激光热影响区温度,并为激光参数主动设计提供理论指导,在难加工材料的激光辅助加工中有广阔应用前景。
  • 郝明武, 姚鹏, 周嘉斌, 黎月明, 梁士通, 褚东凯, 黄传真
    机械工程学报. 2024, 60(9): 229-240. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.229
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    青铜结合剂金刚石砂轮因为其优异的磨削性能和较强的耐磨性被广泛应用于硬脆材料的磨削。为改善砂轮的磨削性能,本研究提出了青铜结合剂金刚石砂轮的皮秒激光修整研究,对粗粒度(100#)的青铜结合剂金刚石砂轮进行了激光切向整形。通过理论计算获得了脉宽为10 ps的激光烧蚀去除青铜结合剂及金刚石磨粒的功率密度阈值。研究了激光功率密度、激光扫描速度、砂轮转速和偏置距离对激光修整质量的影响,通过修整后砂轮表面粗糙度、磨粒突出高度和磨粒后角角度评价砂轮修整效果。结果表明当激光功率密度I40W=2.60×1011 W/cm2、激光扫描速度v=360 mm/min、砂轮转速n=9 000 r/min、激光偏置距离a=0.5 mm时,可以获得表面粗糙度较低、磨粒形态更好的金刚石砂轮表面。本研究采用的超快脉冲激光具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度,几乎可以对任何材料进行加工,且具有热效应小和加工精度高等独特优势,有望实现更高精度的砂轮修整。
  • 肖贵坚, 刘振扬, 贺毅, 刘岗, 邓忠才
    机械工程学报. 2024, 60(9): 241-253. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.241
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    激光辅助CBN砂带磨削工艺结合了激光对材料的软化改性以及砂带磨削的高效材料去除和高表面完整性,可以实现对高强韧TC4钛合金的低损伤高性能加工。通过激光辅助CBN砂带磨削TC4钛合金实验,研究了激光功率对磨削力、材料去除行为和表面完整性的影响规律。结果表明:增大激光功率可以提高材料软化改性程度,降低磨削力及其波动振幅,激光功率最大时法向磨削力降低57.2%,切向磨削力降低68.7%;随着材料软化程度的提高,材料去除行为发生了从韧性去除向塑性去除的转变,表面的韧性撕裂和磨削损伤减弱,表面质量、表面一致性和表面残余压应力提高,激光功率最大时表面粗糙度达Ra 1.23 μm,表面残余压应力达94.6 MPa;激光辅助CBN砂带磨削表面渗入了大量的N和O元素,表面的Ti元素以TiN和TiO2和金属Ti三种状态存在,引入的N和O元素将提高表面的耐磨和耐腐蚀性能。希望本研究能为激光辅助加工钛合金等难加工材料的去除行为及表面完整性研究提供借鉴。
  • 江安娜, 言兰, 王宁昌, 姜峰, 李卓, 温秋玲, 卢希钊, 黄辉
    机械工程学报. 2024, 60(9): 254-272. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.254
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    能量场辅助激光诱导等离子体加工技术是一种新兴的制造技术。基于传统的激光加工技术,通过引入热场、电场、磁场、化学场等能场进行创新,提高激光加工过程的可控性,不仅实现了透明硬脆材料纳米级甚至亚纳米级高精度制造,也有利于满足超精密制造的高质量、低损伤要求。从热场、磁场、电场、化学场分别具体阐述了不同的能量场辅助对激光加工技术的影响,通过分析激光机理和能量场辅助机理总结热场、电场、磁场和化学场对激光加工中的热能、光能、动能和表面能的影响原理,并介绍了能量场辅助激光加工的设备及工艺方法,最后总结能量场辅助激光加工技术目前存在的不足及未来面临的挑战,为进一步发展多能场复合辅助激光诱导等离子体加工技术奠定基础。
  • 邱文哲, 张臻, 王鹏, 刘邓华, 魏世川, 张国军
    机械工程学报. 2024, 60(9): 273-285. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.273
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    电火花线切割(WEDM)加工金属薄壁过程中产生的热变形现象几乎无法避免,制约了WEDM在薄壁类零件精密加工中的应用。本研究提出一种利用激光浸液诱导冲击调控WEDM加工金属薄壁热弯曲变形的新工艺,以获得低/无变形薄壁件。对不同线切割参数加工的In718与TC4金属薄壁热变形量进行标定,获得热弯曲量与工艺参数间的规律。薄壁热弯受脉冲时间影响最为明显,脉冲间隙的影响则并不显著。基于激光冲击仿真与实验结果选取合适的激光参数对薄壁区域进行冲击加工,能够有效恢复薄壁热变形。针对不同厚度的In718与TC4薄壁,均能使用激光浸液诱导冲击对热弯曲变形量进行调控,当激光能量为80 mJ,光斑间距(x-y)为0.5~ 0.5 mm,冲击次数为1时,调控效果最好。调控后的所有薄壁翘曲度最低仅1.4 μm,热变形最高可减少98.35%。对加工后的薄壁表面完整性进行检测,结果表明新工艺在调控薄壁变形的同时,薄壁表面硬度提高了20%以上,降低表面粗糙度与重铸层厚度,此外还能一定程度改善薄壁表面裂纹。
  • 微量润滑加工
  • 王晓铭, 李长河, 杨敏, 张彦彬, 刘明政, 高腾, 崔歆, 王大中, 曹华军, 陈云, 刘波
    机械工程学报. 2024, 60(9): 286-322. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.286
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    纳米生物润滑剂作为替代矿物型润滑介质的绿色微量润滑剂,已成为学术界与工业界的研究与关注焦点。然而,纳米生物润滑剂微量润滑加工物理学作用机制尚不清楚,难以为其工业化应用提供精准指导与选用原则。为解决上述需求与技术问题,综述了纳米生物润滑剂组分及物理特性,揭示了纳米增强相、基础流体、添加剂对加工性能的影响规律,阐述了纳米增强相在纳米生物润滑剂中的动力学行为与分散机制。其次,揭示了多能场雾化机制、切/磨削区流场分布及微液滴浸润动力学行为,发明了微量润滑新型供给与雾化装置。进一步地,分析了切/磨削加工材料去除热物理机制,研究了先进的多场赋能热损伤抑制策略,构建了纳米生物润滑剂微量润滑加工技术体系。结果表明,纳米生物润滑剂在热源抑制与热耗散特性调控方面效果显著,多场赋能纳米生物润滑剂微量润滑可作为浇注式加工的替代工艺,采用断续有序的凹槽织构砂轮辅助质量分数为2.5%的MWCNTs-棕榈油纳米生物润滑剂微量润滑磨削单晶镍基高温合金DD5,与传统的浇注式磨削工艺相比,磨削力可降低12%,磨削温度可降低9%,表面粗糙度值可降低6%。展望了纳米生物润滑剂发展路线图,为工业界与学术界提供技术支持与理论指导。
  • 崔歆, 李长河, 张彦彬, 杨敏, 周宗明, 刘波, 王春锦
    机械工程学报. 2024, 60(9): 323-337. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.323
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    磨削是获得航空航天难加工材料高表面质量和加工精度不可或缺的方法,尤其是以大切削弧长为特点的高效率磨削在航空航天领域获得广泛的应用。但是,润滑剂在大切削弧长工件/磨粒界面牵引动力不足,导致浸润性能和冷却润滑缺失、工件表面完整性恶化。基于此,提出磁力牵引纳米润滑剂微量润滑磨削新工艺,但磁场作用下的磁性纳米润滑剂微界面浸润动力学尚不明确,磁场力赋能作用下的磨削力模型尚未建立。首先,揭示磨削区磁力牵引润滑剂输运动力学规律,建立磁场作用下的润滑剂浸润速度与流量模型。其次,提出基于截角六面体磨粒几何模型的砂轮建模方法,揭示单颗磨粒力学行为并建立切削力数学模型。最后,进行磁力牵引纳米润滑剂微量润滑磨削钛合金磨削力模型的实验验证。结果表明,磁力牵引纳米润滑剂微量润滑磨削新工艺能显著提升润滑剂浸润速度和流量,相比无磁场,磁场强度为5× 105 A/m时法向和切向磨削力分别降低31.8%和74.3%;磨削力预测值与试验值吻合度较好,切向和法向磨削力最小平均偏差分别为9.2%和5.7%。研究为磁力牵引纳米润滑剂微量润滑磨削提供理论依据,为难加工材料的大弧长磨削的高表面完整性要求提供技术支持。
  • 王帅帅, 段振景, 刘吉宇, 李育恒, 王梓恒, 周瑜阳, 刘新, 宋金龙, 孙晶
    机械工程学报. 2024, 60(9): 338-350. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.338
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    碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)具有高强度、耐腐蚀、耐高温等优异性能,其结构具有各向异性和非均匀性,机械加工时易出现纤维撕裂、分层和脱粘等损伤,导致表面质量及使用性能难以满足实际需求。冷等离子体射流中富含活性粒子且宏观温度较低,能有效调控材料特性且不会造成明显损伤。提出采用冷等离子体射流调控CFRP材料的表面浸润性及力学特性,结合微量润滑(Minimum quantity lubrication,MQL)冷却介质辅助微铣削CFRP,实现高质量、低损伤加工。首先通过亲水性改性试验研究射流对CFRP表面浸润性的影响,发现射流能够在40 s内将CFRP表面接触角降低到10°以下,有效提高CFRP的浸润性。然后开展拉伸试验及单颗粒划痕试验研究射流对CFRP力学特性的影响,发现射流作用下CFRP的抗拉强度降低了约17%,同时促进了材料的脆性断裂。最后在不同冷却润滑条件下对CFRP开展微铣削试验,研究了冷等离子体射流及MQL冷却介质对材料切削加工性能的作用效果及机理;结果表明相较于干铣削,冷等离子体射流及MQL冷却介质的复合能场能作用下切削温度降低了28%,切削力降低了10%以上,表面粗糙度降低47%,有效减少已加工表面纤维脱粘、弯曲、撕裂等缺陷,在CFRP等复合材料的辅助加工中有广阔的应用前景。
  • 关集俱, 祝正兵, 徐正亚, 栾志强, 许雪峰
    机械工程学报. 2024, 60(9): 351-363. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.351
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    磨削时,由于砂轮气流屏障的作用,磨削液难以渗入磨削区发挥作用,导致传统的磨削液强化浇注、微量润滑等方法难以实现理想的润滑、冷却效果。为此,提出利用分子内部填充硫化异丁烯(T321)的碳纳米管(CNTs)微囊(CNTs@T321)为添加剂,分别制备微囊砂轮和纳米流体磨削液,磨削时纳米微囊可直接将润滑剂释放至磨削区域起自润滑作用。首先,制备纳米微囊并对其进行表征,然后制备以纳米微囊为添加剂的砂轮和纳米流体,开展了微量润滑条件下磨削GCr15钢的实验,揭示纳米微囊释放T321并生成自润滑膜的机制。结果表明,与传统砂轮及其磨削工艺比,微囊砂轮在纳米流体磨削条件下的磨削力、磨削温度、表面粗糙度值分别降低41%、37%、17%,而磨削比提高23%。磨削时,砂轮中的微囊可首先释放T321产生自润滑作用,纳米流体的介入进一步强化了磨削区的润滑和冷却作用,这种双重润滑增效机制提高了整个工艺系统的磨削性能。
  • 特种加工
  • 董晓星, 诸铁宇, 鲁聪达, 金明生
    机械工程学报. 2024, 60(9): 364-373. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.364
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    在电流变液体特性基础上,开发一种球柱状电流变抛光工具,研究加工工件表面形貌演化机理。基于Preston方程和赫兹弹性接触摩擦理论,建立球柱状电流变工具的材料去除深度模型与工件表面轮廓演化模型。定点加工实验显示,工件表面轮廓线与理论预测下的轮廓线相近,换算成深度材料去除速率,最大偏差值为55 nm/min。行进加工实验显示,理论计算轮廓在宽度和深度方向上与实际加工区域的测量尺寸接近,表面粗糙度从加工前Ra 78 nm下降至加工后Ra 14 nm。抛光效率随电压或转速的增大而增大,且工件表面粗糙度的稳定值取决于磨粒粒径,越小粒径磨粒的切削刃越小,最终得到的表面粗糙度更低。随加工间距的增大,加工后工件轮廓逐渐由“ U”型向“ W”型转变,该转变过程受电压与转速参数影响,电压占主导地位,转速次之。本文通过对球柱状电流变加工表面形貌演化机理的分析,为电流变面型修整提供了理论依据。
  • 岳晓明, 臧烁, 赵永华, 刘为东, 尹瀛月, 张勤河
    机械工程学报. 2024, 60(9): 374-382. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.374
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    传统加工方法在难加工材料超大深径比小孔加工时面临巨大挑战,目前电火花加工依然是难加工材料深小孔加工最有效的方法之一,但存在加工表面质量差等问题。电解加工具有加工表面质量高等优点,但在深小孔加工效率和精度上不及电火花加工,因此将上述两种方法复合是实现深小孔高效高质高精加工最有效的方法。将低浓度盐酸工作液应用于电火花电解复合加工超大深径比小孔,实验表明低浓度盐酸工作液的加工效率和加工精度均优于传统中性工作液。为了提高超大深径比小孔的加工精度和加工表面质量,提出工具电极结构化绝缘方法,通过工艺参数实验优化实现了超大深径比小孔(深径比>50:1)的高质高精加工,本方法在难加工材料高品质超大深径比小孔加工中具有广阔的应用前景。
  • 陈钊杰, 谢晋, 刘军汉, 熊长新, 李迪帆
    机械工程学报. 2024, 60(9): 383-392. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.383
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    单晶碳化硅作为半导体材料,其被加工表面及亚表面质量直接影响到电、磁、光等工作性能,但在高精度的机械加工中,纳米切深的不可控和高速主轴转动的刀具端跳会产生不稳定的切削力,导致表面微毛刺和改性层以及亚表面残余应力和损伤。因此,在单晶碳化硅的金刚石磨削中,利用砂轮与工件间的脉冲放电驱动游离磨料流动,抵消机械作用对其表面及亚表面的影响,探究机械加工、磨料流抛光和热化学去除的复合加工对表面完整性的作用机制。首先建立复合加工表面成型与脉冲放电和流体动压的关系模型,然后分析脉冲放电对材料去除率以及磨粒损耗率的影响,最后讨论去毛刺效果、表面残余应力及亚表面损伤等。结果表明:在固结磨粒切削与轮廓复制过程中工件与磨粒界面形成了复合加工链,脉冲放电可驱动游离磨粒并对表面进行热化学改性,游离磨粒获得去除力去消除表面二氧化硅并重新暴露出Si-C键。降低脉冲放电能量和流体动压会促进脆性破坏转变为高表面质量的塑性去除。即使较大切深和较大主轴端跳产生的机械振动,脉冲放电驱动的热化学改性及游离磨粒抛光与金刚石磨削复合可以将残余压应力、表面微毛刺和亚表面损伤层厚度分别减少93%、73%和50%。关键词:亚表面损伤;残余应力;单晶碳化硅;脉冲放电;磨料流加工
  • 魏荣, 徐默然, 李常平, 李树健, 李鹏南
    机械工程学报. 2024, 60(9): 393-409. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.393
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    钛合金的高质高效切削一直是机械加工领域的难题。虽然有各种热场辅助高效精密加工方法,但缺乏对其力学行为和切削温度等多能场耦合的理论研究,导致难以合理高效地调控优化工艺。针对上述问题,基于热-力耦合的电火花辅助铣削(EDAM)多能场模型进行了调控优化研究,以提高钛合金加工的效率和质量。首先,确定了以电容、转速和电极宽度角为优化变量;然后,建立了热-力耦合的EDAM放电辅助温度和切削力模型;同时,基于响应曲面分析法分析了优化变量对EDAM加工特性的影响,以确定最优参数组合;最终,一系列钛合金EDAM实验验证了理论模型的准确性和优化结果的有效性。研究结果表明,通过理论模型对EDAM加工过程中的多能场的调控优化,EDAM的切削力和表面粗糙度比传统铣削(CM)降低了52.7%和80%。
  • 其他能场辅助加工
  • 何喆, 黄新春, 宋艺辉, 史耀耀, 张兆顷, 史恺宁
    机械工程学报. 2024, 60(9): 410-420. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.410
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    DD6单晶高温合金因具备优异的耐高温性和抗蠕变性,是航空发动机涡轮叶片的重要材料。喷丸是高温合金表面强化的重要工艺,可有效去除加工刀痕,提高材料表层组织硬度,改善材料疲劳性能。为改善DD6磨削、喷丸强化后的表面完整性状态,提高工件服役性能,通过温度载荷影响实验研究,探究服役温度对DD6磨削、喷丸表面状态的影响规律。研究发现随温度升高,因表面材料产生重熔现象,导致表面形貌一致性下降,表面粗糙度增大,表层微观组织再结晶层变厚,其中表面形貌和微观组织变化受温度影响较为显著,且在喷丸强化后更为明显。采用SEM分析和EDS分析的方法对不同温度下的表面形貌和微观组织进行分析,确定影响表面形貌和粗糙度的因素主要为表面氧化现象和表层组织再结晶现象。通过分析发现表面氧化会造成表面元素流失,而表层微观组织再结晶会产生再结晶晶界,导致表层材料改性。故在加工时应考虑温度对材料表面完整性的影响合理控制磨削、喷丸工艺参数,降低微观组织损伤。研究成果为镍基单晶高温合金抗疲劳制造提供了理论依据。
  • 韩建超, 张孟非, 王斌, 国生辉, 贾燚, 王涛
    机械工程学报. 2024, 60(9): 421-433. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.421
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    脉冲电流激发的电致塑性效应能够显著提高钛合金的成形能力,而电塑性效应是融合“电-热-结构”多物理场综合作用的结果,构建电辅助有限元模型对于分析其塑性变形行为及优化成形工艺参数具有重要意义。以Ti-6Al-4V合金为研究对象进行不同电流密度、温度及应变速率下的电辅助拉伸试验;基于Johnson-Cook模型建立一个考虑热效应与非热效应的本构模型,其相关系数R2均高于0.95,平均相对误差低于2%;基于此模型对电脉冲辅助拉伸过程中物理场进行有限元分析,当电流密度为4.19 A/mm2时,随着试样拉伸至颈缩,电流密度相较于初始值升高21.96%,导致标距段内温度梯度明显增大,温差由68.69℃增至95.52℃,与同温度350℃高温试验相比,在应变场上表现为整体均匀程度降低,由于非热效应的作用峰值应力降低了49 MPa,模型预测的应力-应变结果与试验数据相比呈现较高的拟合精度,为进一步研究电辅助成形工艺及电致塑性机理提供了理论方法。
  • 王湃, 白翌帆, 赵文祥, 张毅博, 刘志兵
    机械工程学报. 2024, 60(9): 434-444. https://doi.org/10.3901/JME.2024.09.434
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    短电弧铣削加工技术因低加工应力、低成本、高加工效率而被应用在镍基高温合金加工中。针对短电弧辅助精密铣削加工表面完整性演化规律不明的问题,利用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线谱(EDS)等检测手段分析了重铸层的组织特性,开展正交铣削试验研究了精密铣削工艺参数对表面完整性的影响规律以及重铸层导致的铣削表面差异,探究了短电弧辅助精密铣削表面强化机制。结果表明,高温合金晶体在高温下破坏重组导致其组织变化形成重铸层,硬度降低34%,脆性增强;相同参数下短电弧辅助铣削表面表现出更高的粗糙度值(Ra=0.76 μm)、更高的表面硬化率(47.8%)与更大的残余拉应力值(沿进给方向(X向)为241.5 MPa,垂直进给方向(Y向)为78 MPa)。加工表面硬化的主要机制是位错强化,通过引入核心平均取向差参数建立的显微硬度预测模型进一步拓展了表面完整性与晶体学特征的关系。