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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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    纳米生物润滑剂微量润滑加工物理机制研究进展

    王晓铭李长河杨敏张彦彬...
    286-322页
    查看更多>>摘要：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.

    纳米生物润滑剂微量润滑切削磨削多场赋能热损伤

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    磁力牵引纳米润滑剂微量润滑磨削力模型与验证

    崔歆李长河张彦彬杨敏...
    323-337页
    查看更多>>摘要：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5X105A/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.

    磨削磁性纳米润滑剂磁力牵引动力学行为力学模型

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    冷等离子体耦合微量润滑微铣削CFRP加工性能与机理研究

    王帅帅段振景刘吉宇李育恒...
    338-350页
    查看更多>>摘要：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.

    碳纤维复合材料微铣削冷等离子体射流微量润滑

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    CNTs@T321微囊制备的纳米流体与砂轮磨削时的双重润滑增效机制

    关集俱祝正兵徐正亚栾志强...
    351-363页
    查看更多>>摘要：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.

    碳纳米管纳米微囊砂轮磨削液自润滑

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    基于球柱状电流变工具的工件表面形貌演化机理研究

    董晓星诸铁宇鲁聪达金明生...
    364-373页
    查看更多>>摘要：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.

    电流变抛光微加工轮廓线电场辅助

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    高品质超大深径比小孔电火花电解复合加工实验研究

    岳晓明臧烁赵永华刘为东...
    374-382页
    查看更多>>摘要：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.

    电火花电解复合加工酸性工作液超大深径比小孔加工表面质量

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    脉冲放电驱动磨料流辅助磨削单晶碳化硅研究

    陈钊杰谢晋刘军汉熊长新...
    383-392页
    查看更多>>摘要：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％.

    亚表面损伤残余应力单晶碳化硅脉冲放电磨料流加工

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    电火花辅助铣削钛合金多能场建模及调控优化研究

    魏荣徐默然李常平李树健...
    393-409页
    查看更多>>摘要：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％.

    钛合金电火花辅助铣削多能场热-力耦合模型调控优化

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    服役温度影响的DD6单晶高温合金磨削/喷丸加工表面完整性演化规律研究

    何喆黄新春宋艺辉史耀耀...
    410-420页
    查看更多>>摘要：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.

    DD6服役温度表面完整性磨削-喷丸演化规律

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    钛合金电致塑性本构方程及多物理场耦合分析

    韩建超张孟非王斌国生辉...
    421-433页
    查看更多>>摘要：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.

    钛合金电致塑性效应电辅助本构方程多物理场耦合建模

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