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机械工程学报
机械工程学报

宋天虎

半月刊

0577-6686

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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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    超声波滚压强化TC11钛合金的表面质量与摩擦磨损性能

    郑开魁赵信哲牟刚任志英...
    137-151页
    查看更多>>摘要：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200r 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200r·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0.20MPa、压下量0.15 mm、主轴转速198r.min-1、进给量0.10mm·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0.10mg,降低了 83.3％.

    超声波滚压钛合金表面质量摩擦因数磨损量

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    多种能场高性能加工复杂曲面关键技术研究进展

    吴淑晶王大中谷顾全黄帅...
    152-167页
    查看更多>>摘要：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.

    多场复合加工复杂曲面薄壁件超声振动加工微量润滑技术电化学加工激光加工

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    激光复合加工硬脆性材料研究进展综述

    温秋玲杨野黄辉黄国钦...
    168-188页
    查看更多>>摘要：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.

    激光复合加工硬脆性材料加工效率加工质量微结构

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    C/SiC复合材料激光超声复合微切削材料损伤机理与表面质量研究

    李继成陈广俊许金凯于化东...
    189-205页
    查看更多>>摘要：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.

    C/SiC复合材料激光超声复合微切削损伤机理表面质量

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    SiCf/SiC复合材料激光烧蚀辅助铣削材料去除机理与加工表面质量评价

    李晗章程陈杰安庆龙...
    206-217页
    查看更多>>摘要：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,己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.

    SiCf/SiC复合材料激光辅助铣削材料去除机理加工质量

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    激光辅助铣削过程的预热温度场调控方法研究

    刘鑫张俊徐斌斌刘弘光...
    218-228页
    查看更多>>摘要：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.

    激光辅助铣削温度场参数优化铣削力表面粗糙度

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    皮秒激光切向修整青铜结合剂金刚石砂轮的影响因素研究

    郝明武姚鹏周嘉斌黎月明...
    229-240页
    查看更多>>摘要：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=2.60×1011W/cm2、激光扫描速度v=360mm/min、砂轮转速n=9 000r/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.

    青铜结合剂金刚石砂轮超快激光砂轮修整精密加工

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    激光辅助CBN砂带磨削TC4钛合金材料去除行为及表面完整性研究

    肖贵坚刘振扬贺毅刘岗...
    241-253页
    查看更多>>摘要：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Ra1.23μm,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.

    激光辅助砂带磨削CBN砂带磨削TC4钛合金材料去除行为表面完整性

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    能量场辅助激光诱导等离子体加工透明硬脆材料的研究现状及发展趋势

    江安娜言兰王宁昌姜峰...
    254-272页
    查看更多>>摘要：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.

    透明硬脆材料电场辅助激光加工磁场辅助激光加工热场辅助激光加工化学场辅助激光加工

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    激光浸液诱导冲击调控电火花线切割热变形行为

    邱文哲张臻王鹏刘邓华...
    273-285页
    查看更多>>摘要：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.

    激光诱导冲击电火花线切割变形恢复金属薄壁

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