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机械工程学报
机械工程学报

宋天虎

半月刊

0577-6686

jme@cmes.org cjme@263.net

010-88379907

100037

北京百万庄大街22号

机械工程学报/Journal JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊进登机械工程方面的基础理论、科研设计和制造工艺等方面的学术论文，报道自然科学基金项目论文和国外学者的论文反映本学科的最新发展和最新科研成果。在国内外机械科技领域享有很高声誉，并有较大影响。曾荣获“中国期刊奖”，在中国科协、北京市和全国科技期刊评比中均获得奖励。在国内已成为机械类和力学类核心期刊。已被美国工程索引（EI）等国内外20余种文摘刊物和数据库收录。
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    金属熔融直写成形工艺射流沉积稳定性分析

    戎文娟单忠德王宝雨王佳琳...
    119-126页
    查看更多>>摘要：金属材料增材制造具有工艺流程短、柔性可设计等优点,可满足复杂结构件单件小批量个性化需求,在众多金属增材制造工艺方法中,金属熔融直写成形具有成本低、效率高等优势.射流稳定性是影响金属熔融直写成形质量和精度的关键因素.针对直写成形射流特点,分类建立了液滴流、曲张流、平滑流、波动流4种典型射流状态模型,模拟并分析了射流的演化过程,获得了修正后的金属射流连续段长度公式,以及射流沉积稳定性调控的关键因素;基于金属射流单道沉积工艺试验,获得了不同射流状态沉积后轨迹均匀性的基板速度调控范围.射流状态模型建立和沉积轨迹均匀性调控范围的获取,为金属熔融直写工艺形性调控提供理论依据.

    金属增材制造金属熔融直写成形金属射流射流稳定性

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    匀光阵列微结构模具高性能非接触仿形抛光

    郭江张鹏飞杨哲赵勇...
    127-136页
    查看更多>>摘要：匀光元件具有优良的光束扩散性能,被广泛应用于投影、照明及成像系统,抛光可有效去除匀光模具表面刀纹从而提升性能,但现有的抛光方法通常难以在保持微结构面形精度的同时提升表面质量.为解决上述问题,提出了一种用于阵列微结构模具的高性能非接触仿形抛光方法,研究了加工间隙和工具转速对材料去除的影响,分析了模具表面质量及面形变化.最后,通过打光测试表征了不同加工方法与元件性能的关系.结果表明,抛光对匀光元件性能提升作用显著,提出的高性能非接触仿形抛光方法可大幅提高塑件匀光性能.抛光后,模具表面粗糙度由初始的164.2 nmRa下降至8.1nmRa,形状精度误差小于0.8 μm,同时刀纹和毛刺被有效去除.塑件匀光亮度提升了 40.4％,匀光均匀度提升了 67.1％,塑件匀光性能显著提升.提出的非接触仿形抛光方法可以为高性能光学微结构元件的制造提供技术支撑.

    匀光元件阵列微结构模具非接触仿形抛光刀纹去除面形保持

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    基于等几何拓扑优化的柔性机构设计

    许洁高杰肖蜜高亮...
    137-148页
    查看更多>>摘要：等几何分析能够将几何建模的基函数与结构数值分析的形函数统一,从而得到高精度的结构数值分析结果.面向柔性机构,提出了一种基于等几何拓扑优化的柔性机构设计方法:通过NURBS基函数和Shepard函数构造增强密度分布函数,该函数的高阶连续性可确保优化结构边界的光滑清晰;然后根据密度分布函数建立柔性机构的等几何拓扑优化模型;最后,将该方法应用于柔性机构设计.通过算例结果可知,等几何拓扑优化方法特有的计算原理可提高数值计算的精度和效率,能有效避免由网格依赖、棋盘格现象等产生的边界问题,确保了优化结构均具有较好的光滑性和连续性,验证了提出的方法能有效避免柔性机构的铰链现象.

    拓扑优化等几何分析柔性机构密度分布函数

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    基于特征自适应融合和集成学习的高性能铣削刀具状态监测

    王润琼宋清华彭业振刘战强...
    149-158页
    查看更多>>摘要：通过人工智能、工业大数据实时感知切削加工中的刀具状态是实现面向性能的制造的重要技术途径,也是高性能制造的关键内涵.然而,在目前的切削刀具状态监测算法中,特征提取过程多依赖于人工经验,这无疑限制了刀具状态监测技术的在高性能制造中的推广应用.因此,针对高性能加工监测中的自主性和准确性要求,基于特征自适应融合和集成学习技术,提了出一种面向高性能铣削的刀具磨损监测方法.所提出的监测方法能够根据特征的表现自动为其赋予不同的权重从而实现特征的自适应融合,同时利用AdaBoost集成学习算法,在自动融合特征的同时保证了状态监测精度.薄壁件铣削实验表明,监测结果与真实磨损间的RMSE和MAE值最大为10.44,最小可达5.16.所提出的方法能够自主、准确地监测航空类薄壁件铣削加工中的刀具磨损状态,解决了高性能铣削加工刀具磨损监测中的人工经验依赖问题.

    高性能制造刀具磨损监测特征融合薄壁件铣削

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    激光选区熔化区域连续能量调控扫描方法研究

    覃林张李超王森林汤名锴...
    159-169页
    查看更多>>摘要：针对激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形悬垂结构件中存在的翘曲、挂渣等成形质量问题,基于局部区域传热差异性和层间热量传递性研究成形过程中已凝固实体与粉末分布对温度分布的影响,从而对悬垂件的成形进行优化.建立了基于零件几何信息驱动的能量调控优化模型,通过识别模型的几何特征,根据局部区域内的凝固实体和材料粉末的比例计算能量影响因子,实现基于软件自适应调节的变工艺参数的定域定量扫描,最终实现区域能量连续调控与工艺优化.选取典型悬垂件进行316L材料的打印实验作为验证,结果表明相较于未优化的普通扫描方案,基于软件自动能量调控的优化扫描方案可以提高小于45°倾角的悬垂结构件的成形质量,成形40°悬垂结构件时,变参数成形的悬垂面面平均粗糙度Sa(Surface average roughness)达24.03 μm,相比定参数成形的Sa为46.32 μm,表面光洁度明显提高;同时可无支撑成形8 mm跨度的水平悬垂件.

    激光选区熔化悬垂结构能量调控扫描策略成形质量

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    水溶性氧化钙陶瓷型芯的挤出式3D打印参数优化与表面精度控制研究

    穆英朋刘富初张驰黄捷飞...
    170-178页
    查看更多>>摘要：挤出式3D打印成形水溶性氧化钙陶瓷型芯可高质高效成形复杂内腔铸造构件,铸件内腔的残留型芯用水溶解即可快速清理,在复杂内腔构件精密铸造领域具有较大的应用潜力.以针头内径、层高/内径比值、打印速度和内部填充方向四个关键工艺参数进行四因素三水平正交试验,通过对不同工艺参数的3D打印成型坯体进行表面粗糙度测量与统计,采用极差分析确定各个打印参数对坯体表面质量影响的主次顺序,并得到挤出式3D打印氧化钙陶瓷型芯的最优打印参数.结果表明,内部填充方向对型芯坯体表面成形质量有显著的影响,当内部填充方向与外轮廓呈45°和90°时,内部填充浆料与外轮廓层有较多的拐点,拐点处的成形方向发生突变,进而造成挤出压力方向发生突变并作用于外轮廓层,外轮廓层变得凹凸不平,层层堆积成形的坯体表面粗糙度较大、表面质量较差.当针头内径为0.41mm、层高/内径比值为70％、打印速度为20mm/s、内部填充方向与外轮廓层平行时,坯体表面粗糙度最小,型芯坯体表面质量最好.通过增加外轮廓层数来可以有效地减小甚至消除填充方向对坯体表面粗糙度的影响,当外轮廓增加至两层时型芯坯体表面粗糙度降低了近22％,这对水溶性陶瓷型芯的快速精确成形具有重要意义.

    氧化钙陶瓷型芯挤出式3D打印内部填充方向外轮廓层数

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    激光定向能量沉积IN718/316L异质金属结构界面组织及力学性能研究

    徐刚罗开玉鲁金忠
    179-189页
    查看更多>>摘要：针对IN718镍基合金和316L不锈钢异质金属连接形成的明显界面导致构件整体强度低的问题,采用激光定向能量沉积(Laser directed energy deposition,LDED)工艺制备了 IN718和316L直接连接和梯度连接构件.采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和电子背散射衍射(Electron backscattered diffraction,EBSD)观测了异质金属直接连接和梯度连接构件的界面处微观组织分布.此外,采用数字图像相关法(Digital image correlation,DIC)原位拉伸技术研究了 IN718/316L异质金属直接连接和梯度连接构件的整体强度,以及拉伸过程中界面处的应变规律.结果表明,IN718/316L直接连接构件存在明显界面,界面处微观组织分布存在较大差异;从IN718端至316L端,Fe等元素含量明显升高,Ni和Nb等元素含量明显降低.IN718/316L梯度连接构件无明显的连接界面,沿梯度方向,微观组织由胞状晶向柱状树枝晶转变.抗拉强度与直接连接构件相比提高了约28.77％.采用异质金属梯度连接可有效消除异质金属间的明显界面,实现元素分布渐变,明显提升异质金属的抗拉强度.

    激光定向能量沉积IN718/316L功能梯度材料拉伸性能显微组织

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    304不锈钢棒料连续旋弯低应力精密下料断裂预测

    于正洋钟斌张传伟赵升吨...
    190-197页
    查看更多>>摘要：低应力下料近净成形方法是制造轴类零部件毛坯的新工艺,具有能耗低、下料效率高及坯料断面精度高等特性,然而其下料机理一直不清晰,难以获取理想的下料工艺参数,因此基于累计损伤理论提出断裂强度因子预测断裂模型进行研究.以304不锈钢为研究对象,将断裂强度因子耦合到连续旋弯低应力下料有限元模型进行断裂预测.通过连续旋弯低应力下料试验,依托断面平整度及下料时间的下料综合评价方法,验证基于断裂强度因子的连续旋弯低应力下料断裂预测数值模拟的正确性.结果表明:基于断裂强度因子断裂预测模型模拟得到的断裂位置位于环状"V"型缺口根部,与下料分离结果保持一致;断面平整度与下料时间随着加载位置提升而降低,当加载位置为L1=5 mm,L2=10 mm能够实现棒料高效精密下料.该下料方法利用断裂强度因子预测断裂模型建立了连续旋弯低应力下料断裂机理,为实现低应力下料工业化奠定理论基础.

    断裂强度因子低应力下料数值模拟断裂预测304不锈钢

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    激光巨量转移复合型运动平台用洛伦兹磁轴承

    刘强高晴利王伟韩邦成...
    198-209页
    查看更多>>摘要：针对现有Mini/Micro LED巨量转移运动定位平台不具有轴向微高度调整能力的问题,提出了一种基于轴向平动单自由度洛伦兹磁轴承的复合构型运动定位平台(Motion positioning platform,MPP).为提高平台轴向悬浮控制带宽与控制精度,设计了"L"型永磁体和倾斜磁化永磁体叠加的多通道磁轴承拓扑构型,利用等效表面电流法建立了气隙区域磁通密度数学模型,得到了影响磁通密度大小和均匀性的结构参数,借助灵敏度分析筛选设计参数并进行优化设计.优化后轴承气隙磁密强度为478.20 mT,气隙磁密轴向波动率为10.6％,分别比原始方案的323.07 mT和10.8％提升48.02％和1.8％.根据优化结果研制了一台基于洛伦兹磁轴承的复合支撑运动平台,并应用于巨量转移设备,进行磁密测量验证和芯片转移效果测试.结果表明,优化方案轴承气隙平均磁密强度为476.75 mT,气隙磁密轴向波动率为11.1％,与设计结果相符.转移中使用轴向轴承主动承接芯片,可消除因芯片未完全剥落产生的转移坏点,对提升巨量转移效率和良率有重要意义.

    巨量转移Mini/MicroLED运动定位平台洛伦兹磁轴承优化设计

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    面向多联体叶片的机器人喷涂无干涉路径规划

    漆琪刘礼祥杨吉祥丁汉...
    210-219页
    查看更多>>摘要：多联体叶片存在曲面复杂、叶片间距小等结构特点.等离子喷涂为铸造多联体叶片的重要工序,可使叶片表面强化与改性,其喷涂质量直接决定叶片的成品率与性能.现有的机器人等离子喷涂的路径生成主要依靠手动示教,而喷涂过程中的喷涂距离与喷涂夹角无法量化导致喷涂质量不均且示教方法繁琐、效率低.基于此,提出一种面向多联体叶片的工业机器人等离子喷涂无干涉路径生成及光顺方法.首先,根据CAD模型,将多联体叶片型面转为非均匀有理B样条(NURBS)曲面,利用NURBS曲面解析特性,生成约束喷涂行距与喷涂叶片边缘距离的初始路径点;然后将喷涂焰流简化为方向包围盒,将干涉曲面转为三角面片,采用基于分离轴检测的方法进行碰撞干涉检测,生成考虑最小喷涂倾角约束的喷涂姿态.采用基于球面样条四元数插值变步长姿态优化方法进行姿态光顺,生成无干涉且路径光顺的喷涂路径.经过仿真与实验验证,提出干涉避免算法能有效避免喷涂过程中的干涉现象.对比未光顺路径,所提出算法机器人运行效率提高52.6％,机器人振动下降,运行更加平稳,其中关节加速度最大下降55.8％,最小下降2.9％,末端瞬时加速度最大下降39.6％,最小下降14.4％.

    多联体叶片机器人喷涂干涉检测路径光顺

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