2020年, 第31卷, 第4期　
刊出日期：2020-02-25

  

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机械基础工程
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  钛合金激光清洗及其对激光焊接气孔的影响

  陈俊宏, 温鹏, 常保华, 单际国, 都东, 程昊

  中国机械工程. 2020, 31(4): 379-383. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.001

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  采用砂纸打磨、酸洗、激光清洗等方式对Ti6Al4V钛合金进行焊前清洗。通过扫描电镜、白光干涉仪、能谱仪分析了各种清洗方式下的表面形貌、粗糙度和化学成分，研究了不同清洗方式及参数对清洗效果的影响。在均匀熔透和表面质量良好的同一激光焊接条件下，比较了不同清洗条件对气孔率的影响。合适的激光清洗可有效清除焊接试件表面氧化层，并改善表面粗糙度，得到较低的气孔率，其焊缝可达到中国航天工业行业标准I级焊缝要求。
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  刚性悬挂四轮车辆静力学解算与均载性分析

  覃艳明, 赵静一, 王向南, 马金玉

  中国机械工程. 2020, 31(4): 384-389. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.002

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  为研究刚性悬挂四轮车辆的均载特性，联立四轮车辆的静力平衡方程和变形协调方程，解算了各分支悬挂的承载力，计算得到了各分支悬挂的承载力和轮胎刚度的映射关系。在此基础之上，定义了不均衡载荷系数，分析得到了轮胎刚度变化及载运偏载量对车辆均载性能的影响规律。通过实验方法得到了轮胎的刚度数据，并对力学解算和均载性分析进行了验证。
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  拉刀刀尖表面微结构单点金刚石刀具制备及降载机制

  吕俊杰, 倪敬, 蒙臻, 任旭, 冯凯, 俞虹飞, 王艺蒙

  中国机械工程. 2020, 31(4): 390-395,402. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.003

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  为研究单点金刚石刀具制备的拉刀刀尖表面微结构的降载机制，利用激光蚀刻和单点金刚石刀具在同一把拉刀的不同区域制备了圆坑形微结构，并结合搭建的拉削实验系统进行了微结构拉刀和常规拉刀的对比拉削试验。试验结果表明单点金刚石刀具制备的微结构能更有效地降载，这是因为：单点金刚石刀具在制备微结构的过程中能在刀尖表面产生压应力，并且使拉刀刀尖表面更平整；此外，单点金刚石刀具制备的微结构一方面减少了刀-工-屑的真实接触面积，另一方面又削弱刀尖和工件、切屑的黏附作用，减小切屑的厚度，有效地降低拉削过程中的负载。
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  考虑平均剪应力效应的纯扭疲劳强度预测

  彭艳, 李浩然, 刘洋

  中国机械工程. 2020, 31(4): 396-402. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.004

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  针对高周疲劳损伤局部化，基于连续介质损伤力学，将临界域均布全寿命内禀损伤耗散作为等寿命条件，导出考虑平均剪应力效应的纯扭疲劳强度预测模型。新建预测模型揭示了纯扭疲劳强度与材料属性和平均剪应力的关联性，给出了该课题学术争议的合理解释。利用常见的三种不同金属材料的叠加平均剪应力纯扭疲劳实验数据，对比论证了新建预测模型与现有预测模型的差异。预测结果表明，新建预测模型预测精度明显优于现有模型。
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  单晶SiC的电助光催化抛光及去除机理

  何艳, 苑泽伟, 段振云, 王雪

  中国机械工程. 2020, 31(4): 403-409. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.005

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  为满足电子半导体等领域对SiC超光滑、无损伤和材料高效去除的要求，提出了电助光催化抛光SiC的新方法。研究了光催化剂种类及其pH值对抛光液氧化性和抛光效果的影响，讨论了材料的去除机理。结果表明：以p25型TiO₂为光催化剂配制抛光液所获得的最大氧化还原电位为633.11 mV，材料去除率为1.18 μm/h，表面粗糙度Ra=0.218 nm；抛光后SiC表面氧化产物中，Si-C-O、Si-O和Si₄C₄O₄的含量明显增加，SiC表面被氧化并被机械去除是主要的材料去除方式。
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  精密下料中圆形锤头-棒料摩擦副的摩擦学性能分析

  张立军, 韩琳, 张德潇, 张军伟, 张旭强, 张辛, 相恒富

  中国机械工程. 2020, 31(4): 410-416,424. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.006

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  针对精密下料中存在的圆形锤头-棒料摩擦副磨损严重问题，借助WTM-2E型可控气氛摩擦磨损试验仪，研究了不同转速和不同质量分数纳米MoS₂添加剂下的GCr15钢块-45钢柱摩擦副的摩擦磨损性能。结果表明：随着上摩擦副（45钢柱）的转速增加，磨损行程变长，摩擦因数和磨损量呈减小趋势，磨损表面形态由黏着磨损转变为磨粒磨损。采用声发射技术对摩擦副表面磨损状态进行实时监测，定量确定出质量分数为0.5%的纳米MoS₂添加剂的减摩抗磨效果最佳。
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  变厚度板中水平剪切波的传播特性分析

  宋小春, 文辉, 涂君, 张旭, 黄松岭

  中国机械工程. 2020, 31(4): 417-424. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.007

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  为研究超声导波在储罐壁板等变壁厚结构中的传播特性，建立了SH波在空间自由边界中的传播模型，基于各向同性弹性介质Navier-Stokes方程，推导了变厚度板中SH波的频散方程，分析了变厚度板中水平剪切波走时t与倾斜角θ间的相互作用关系；通过简谐点源的远场响应并引入板厚与传播位移的非线性关系，得出了变厚度板中SH波的远场响应方程。在此基础上，仿真分析和实验验证了水平剪切波在不同倾斜角变厚度板中的传播特性，结果表明：在变厚度板的薄端激励水平剪切波并沿结构表面传播时，无频散现象，且无波包分离现象；但随着变厚度板倾斜角θ增大，水平剪切波的走时和接收信号幅值均逐渐递减，且呈非线性关系。
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  两步法电化学加工薄壁钼长管的数学建模与实验研究

  王振东, 庞桂兵, 辛开开, 樊双蛟, 丁金华, 郑剑平

  中国机械工程. 2020, 31(4): 425-431. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.008

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  针对某反应堆用高温燃料包壳加工难题，研究了钼合金薄壁长管部件的电化学加工技术，提出了固定阴极及移动阴极的两步电化学加工方法，建立了移动窄阴极电化学加工的数学模型，针对实施方式、工艺参数等进行了实验。实验结果表明：固定宽电极的电化学加工可大量去除材料，移动窄电极的电化学加工可进行表面精修，采用这两种工艺对直径25.4 mm、长度800 mm的钼管进行加工，获得的直径偏差在0.05 mm以内。
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  H13钢激光相变硬化的组织与性能试验研究

  员霄, 王井, 何冰, 陈志凯, 朱青海, 蹤雪梅

  中国机械工程. 2020, 31(4): 432-437,444. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.009

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  为提高H13热锻模具的耐磨性能和耐腐蚀性能，利用激光相变硬化技术对H13钢进行处理，采用XRD衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪、电化学工作站及高温摩擦磨损试验机对其相结构、显微硬度、耐腐蚀性及耐高温磨损性能进行测试。硬化层由针状马氏体、板条马氏体和碳化物组成，硬化深度为0.71 mm，显微硬度约为750 HV0.3。在脱模剂溶液中，硬化层的自腐蚀电流密度比基材小一个数量级。硬化层高温磨损的质量为基材的7%，磨损机理以黏着磨损为主，同时伴有磨粒磨损和氧化磨损。
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  装配参数对附件机匣锥齿轮破裂故障的影响

  栾孝驰, 沙云东, 郭小鹏, 杨帝思, 马侹

  中国机械工程. 2020, 31(4): 438-444. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.010

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  针对航空发动机附件机匣锥齿轮由装配偏差引起的破裂故障，采用行波共振原理和有限元法，对锥齿轮进行模态分析和静应力计算，分析了啮合锥齿轮的齿轮间隙和主动锥齿轮垂直安装角度对主动锥齿轮齿根应力的影响。仿真与试验结果分析表明：主动锥齿轮结构具有一节径和二节径振型，模态频率与试验误差小于2.5%；齿轮装配间隙对齿根应力影响较小，装配工艺的要求相对合理；主动锥齿轮安装角度偏差对齿根应力影响较大，因此需要严格控制角度偏差。主动锥齿轮断齿金相组织形态及其破裂特征分析表明，锥齿轮的破裂类型为疲劳断裂，断口具有节径型振动疲劳断裂特征。
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  自由曲面几何偏差的空间统计分析

  靳龙, 陈岳坪, 葛动元

  中国机械工程. 2020, 31(4): 445-450. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.011

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  为深入分析数控加工自由曲面几何偏差的内在联系，采用空间统计分析方法将这些几何偏差分解为确定性偏差和随机性偏差来确定误差源的影响。采用B样条方法对确定性偏差形成的曲面进行迭代建模，并用莫兰指数在迭代的每一步检验模型残差的空间统计特性，若模型残差具有空间独立性，则模型残差可作为随机性偏差。通过对一个数控加工后的自由曲面进行几何偏差分解，验证了所提方法的有效性。
智能制造
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  中国智能机械制造评价及发展研究

  张金隆, 吴珊, 龚业明

  中国机械工程. 2020, 31(4): 451-458. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.012

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  以中国规模以上工业企业数据库为基础，结合在智能制造主要区域调研的结果，筛选出15145家智能制造企业，经同行评议后，生成322家候选企业名单；再由资深产业专家从"开发式创新"和"探索式创新"两个方面去考察候选企业的能力，得到中国智能制造百强排行榜；随后根据行业分类，得到智能机械制造企业排行榜。在概述了智能机械制造上榜企业的基本情况后，着重分析了前20强企业，并提出了中国智能机械制造发展路径和未来的发展趋势。
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  基于等切共轭的弧齿锥齿轮差曲面建立与解析

  张波, 魏冰阳, 刘大可

  中国机械工程. 2020, 31(4): 459-464. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.013

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  对弧齿锥齿轮提出了一种新的共轭求解方法，来更方便地求解共轭小轮的齿面方程，在此基础上进行了齿面接触分析。在分析过程中提出了一种新的ease-off差曲面计算方法，即用对应点的转角误差替代直线误差进行差曲面求解，使得传动误差解析、齿面修形量的确定更为直观和准确。提取了ease-off曲面上的差曲线，以方便地确定出接触路径和边缘接触点。根据全程差曲线得到了齿面接触印痕分布情况。
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  一种基于理想度与粗糙数多属性决策的复杂非线性系统设计方法

  宫金良, 滕学芳, 张彦斐

  中国机械工程. 2020, 31(4): 465-471,481. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.014

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  针对产品概念设计阶段设计特性及需求的模糊不确定性，提出了一种基于理想度与粗糙数多属性决策的复杂非线性系统设计方法。确定目标技术系统集合与超系统集合，对子系统进行理想化水平求解；构建系统功能结构模型和产品设计特性层次结构图，并基于粗糙数求解权重因子；计算得出设计需求相对评价结果，确定目标子系统复杂性；借助发明问题解决理论消除系统复杂性。下肢外骨骼工程实例验证了该方法的可行性和有效性。
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  基于神经网络负载波动模拟的换挡机械手动力学分析

  周楠, 陈刚

  中国机械工程. 2020, 31(4): 472-481. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.015

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  提出了一种换挡负载波动模拟方法，分析了负载波动下的驾驶机器人换挡机械手的动力学特性。搭建了包含机械手末端负载波动模型的换挡机械手动力传递模型。在负载波动模型中，将负载分解为挂挡方向负载和选挡方向负载。提出了一种神经网络挂挡负载模型，并通过试验数据对比验证了该模型的有效性。对换挡机械手在负载波动下的动力学特性进行了分析，对末端负载变化对换挡机械手换挡轨迹跟踪的影响进行了验证。
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  规则约束下基于免疫遗传算法的机加工艺规划

  郭祥雨, 王琳, 张永健

  中国机械工程. 2020, 31(4): 482-488. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.016

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  由于特征的加工可能适应多种加工方法，因此在加工成本的计算公式中考虑了不同加工方法的制造资源与加工时长产生的成本差异。在免疫遗传算法基础上，利用前趋图描述工步关系并指导初始工艺路线的生成，引入自适应平行变换算子指导加工方法和制造资源的动态调整，使算法变异力度具有跟随迭代过程的动态调整能力。最后，以回转体零件的机加工艺路线为例验证了改进免疫遗传算法的有效性。
工程前沿
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  流道出口位置对加压内冷却砂轮磨削性能的影响

  彭锐涛, 吴艳萍, 唐新姿, 鲁鑫焱, 胡云波

  中国机械工程. 2020, 31(4): 489-497. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.017

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  鉴于开槽砂轮内流道出口位置影响磨削液的冷却润滑效果，设计制备了磨料环可周向旋转的加压内冷却开槽砂轮，使内流道出口位于砂轮磨料区或开槽区。建立了磨削弧区温度场仿真模型，模拟结果表明流道出口置于开槽区时换热效果更好。在相同加工参数下进行了磨削对比试验，结果表明：相比位于磨料区，流道出口位于开槽区时获得的磨削温度、表面粗糙度分别下降了16%和15%，工件表面更光滑规整，残余拉应力效应显著降低。
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  动力蓄电池包挤压失效仿真与实验

  匡松松, 熊飞, 刘静, 贾迎龙, 李文炎

  中国机械工程. 2020, 31(4): 498-503. https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2020.04.018

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  为提高动力蓄电池包挤压仿真的精度，将延性损伤准则引入到有限元仿真，通过单轴拉伸试验、纯剪切试验与缺口件拉伸试验与有限元仿真，获得了某动力蓄电池包结构所用材料6061-T6铝合金的延性损伤参数。型材三点弯曲试验、动力蓄电池包挤压试验与有限元仿真的结果表明：输入延性损伤参数的有限元仿真结果与试验结果误差小，能较为准确地模拟铝合金损伤对结构承载性能的影响；不考虑材料失效的结果与试验结果误差较大。