中国机械工程

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2024, 35(12): 1.

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“轻质薄壁构件极端应变速率成形制造”专题序言

2024, 35(12): 2091.

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薄壁构件渐进式电磁成形技术研究进展

程啸1, 李瑞2, 邹贵生2, 林俊峰1, 3, 于海平1, 3

2024, 35(12): 2092-2105. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.001

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随着我国高端制造业的发展，航空航天等众多工业领域对薄壁构件的需求急剧增加。传统的电磁成形凭借其高速率成形特性，已成功应用于某些关键轻质材料薄壁构件的生产制造中，但受到成形线圈和放电设备的限制，难以加工大尺寸、结构复杂的零件。近十几年来，渐进式电磁成形技术逐渐被开发，并应用于大型薄壁构件的加工中，在此期间大量研究成果也随之涌现。在简述电磁成形技术原理及特点的基础上，按照工艺形式将现有渐进式电磁成形技术划分为两大类：渐进式电磁复合成形和渐进式电磁直接成形；针对每类工艺从基本原理、技术方案以及应用成果等方面进行了研究现状阐述；分析了渐进式电磁成形技术目前存在的主要问题，并对渐进式电磁成形技术的未来发展前景和研究方向进行了展望。

超声振动软化Johnson-Cook模型建立及薄管卷边实验验证

宋鹏飞1, 2, 曹秒艳1, 2, 付敏1, 2, 崔亚硕1, 2, 李云峰1, 2, 刘政1, 2

2024, 35(12): 2106-2113，2121. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.002

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为准确描述轻质薄壁构件在超声振动辅助成形中的变形行为，以TU1无氧铜和316L不锈钢为对象，开展超声振动法向激励辅助单向拉伸试验。考虑超声振动软化效应，通过引入新的超声软化函数，建立一种超声振动Johnson-Cook模型。开发自定义子程序将模型嵌入有限元软件进行模拟，且与单向拉伸试验和卷边试验进行对比验证。结果表明：数值模型可有效捕捉材料超声振动软化行为，平均绝对比例误差最低可达0.97%。虽然不同材料对超声振动的敏感性不同，但其超声软化率与超声能场密度均符合一种Allometricl函数关系。

铝锂合金回弹预测的机器学习及有限元仿真与实验

惠生猛1, 毛晓博4, 湛利华1, 2, 3

2024, 35(12): 2114-2121. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.003

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分别在180 ℃、190 ℃和200 ℃温度的不同应力条件下对2195铝锂合金进行蠕变时效试验，利用MATLAB软件拟合得到本构方程，并将本构方程整合到非线性有限元软件MSC.Marc中，构建了2195铝锂合金瓜瓣蠕变时效成形的有限元模型，模型以时间、应力和温度为输入参数，回弹半径为关键输出参数。为提高预测精度与效率，对比分析了多种机器学习回归模型，最终选定岭回归模型作为预测工具，实现了对不同工艺条件下回弹半径的快速准确预测。通过1∶1实验验证，实验构件回弹型面与目标型面的相对误差为0.9%，证明了模型的高预测精度和实用价值。

非涡流电磁成形中铝合金板料本构模型建立

刘维1, 张敏1, 彭博1, 李佳琪1, 孟正华2, 黄尚宇1

2024, 35(12): 2122-2131. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.004

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非涡流电磁成形是一种新型电磁成形工艺，通过在金属工件上直接施加脉冲电流来代替感应涡流，实现工件高速变形，其速度达到102 m/s，应变率高达103 s-1，该工艺没有复杂的线圈结构，电磁力也更为均匀。针对5052-O铝合金薄板进行了非涡流电磁成形试验及有限元模拟，采用逆向识别方法对Cowper-Symonds和Johnson-Cook高应变率本构模型中的参数进行确定，并预测了5052-O铝合金在高应变率下的流动应力。通过比较模拟与试验中试样标记点的变形高度、厚度及应变，证实了Johnson-Cook硬化模型在描述5052-O铝合金硬化行为时更为精确。最后，基于确定的参数进行了验证实验，实验数据与模拟结果相互印证，证实了模型的可靠性。

应变速率对304不锈钢塑性变形及马氏体转变行为的影响

湛利华1, 2, 赵帅1, 杨有良1, 2, 常志龙3

2024, 35(12): 2132-2138，2168. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.005

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为研究0.5 mm厚304不锈钢室温条件下的塑性变形行为及马氏体转变规律，开展0.000 67 s-1、0.002 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1及1 s-1五种不同应变速率下的单轴拉伸试验，并通过X射线衍射仪对各样品进行物相分析。结果表明：随着应变速率增大，材料的屈服强度明显上升，表现出应变速率强化效应；由于拉伸过程中塑性功转化为热能，马氏体转变受到抑制，抗拉强度略有减小。在真实应变小于0.27时，不同应变速率下的加工硬化率均呈下降趋势；而在真实应变大于0.27后，低应变速率下材料出现较为显著的二次硬化，这与材料内部的马氏体转变有关。为此，提出将马氏体相变动力学方程(Olson-Cohen方程)引入传统Johnson-Cook模型中,以表征不同应变速率拉伸过程中的二次硬化现象。不同应变速率下流变应力变化实际值与改进后的Johnson-Cook本构模型计算值预测精度分别为3.23%、3.42%、4.13%、4.09%及5.14%，并且改进模型相对于传统的Johnson-Cook模型能够更加准确地描述不同应变速率拉伸过程中的二次硬化阶段。

瞬时电流和后续时效对7075铝合金力学性能和微观组织的影响

崔晓辉1, 2, 余卓行1, 肖昂3, 颜子钦4, 阳光1, 王瀚鹏1, 李瑞1

2024, 35(12): 2139-2148. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.006

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提出了瞬时脉冲电流对铝合金超快固溶和后续时效强化的处理方案，采用宏微观实验手段分析了材料力学性能和微观组织演变规律。结果表明：随着放电电压的增大，预拉伸后7075铝合金材料屈服强度逐渐减小，但延伸率呈现“小幅度增大—减小—大幅度增大”的变化趋势。当脉冲电流峰值超过86 kA（对应的放电电压超过9 kV）时，材料力学拉伸曲线出现了波特文勒夏特利（Portevine Le Chatelier，PLC）效应。当脉冲电流峰值超过96 kA（对应的放电电压超过10 kV）时，试样的延伸率增大508.09%以上。微观表征发现，10 kV电压下材料中位错密度减小，η′相回溶到铝基体并形成过饱和固溶体，从而显著提高了材料塑性。结果表明，瞬时脉冲电流能够实现7075铝合金超快（<1 ms）固溶。对固溶后7075铝合金采用人工时效处理，材料硬度在人工时效21 h达到峰值，峰值时效处理后材料的硬度达到常规固溶淬火的98.69%。

2024铝合金锥形孔电磁翻边线圈设计及成形工艺研究

刘昊1, 黄亮1, 孙怡然1, 周巍1, 唐天宇1, 门向南2, 邓涛2, 苏红亮2

2024, 35(12): 2149-2156. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.007

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为实现锥形孔电磁翻边的线圈设计和成形工艺，基于LS-DYNA有限元仿真软件建立了有限元模型，设计了变匝间距随形线圈，得到了最佳放电电压；揭示了线圈设计和放电电压对成形结果的影响；随后进行工艺试验，得到了满足技术要求的零件。结果表明：采用变匝间距设计的线圈可以增大小圆弧区的电磁力密度，进而使小圆弧区成形高度明显增大，成形均匀性改善；随着电压增大，零件受到的电磁力增大，小圆弧区贴模间隙迅速减小，大圆弧区贴模间隙几乎不变，直边区贴模间隙减小后反弹；最佳放电电压为14 kV，得到零件最大贴模间隙为0.61 mm，减薄率为18%，满足技术要求。

纯钽薄壁构件高速级进拉深应变率效应及成形性研究

徐腾, 邓春阳, 邱国强, 谢泽锋, 冉家琪, 龚峰

2024, 35(12): 2157-2168. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.008

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针对纯钽薄壁构件高速拉深成形过程中因应变率效应引起的成形性问题，首先开展纯钽薄板拉伸应变率效应研究及相关本构模型参数识别，构建考虑材料应变率效应的高速拉深成形Johnson-Cook本构模型,结果表明,纯钽薄板表现出明显的应变率强化效应，动态加载下的屈服强度远高于准静态拉伸下的屈服强度。然后开展钽电容器外壳高速级进拉深成形热力耦合仿真及成形实验研究，分析构件在低速和高速级进拉深成形时的壁厚、温度场分布情况,结果表明，壁厚分布仿真结果与实验结果较为相符，成形速度增大时会导致最终成形件壁厚非均匀性增加；最终级进拉深成形件的最大减薄区出现在筒壁靠中间区域，该区域温度最高且其温度与成形速度正相关；不同速度下的最终成形筒形件的金相组织没有发生明显变化，仅不同变形区的晶粒形状和大小略有差异。

考虑压边间隙的电控永磁压边方法及有限元分析

孟林园1, 秦泗吉1, 赵金志1, 唐子超1, 纪晓宇2

2024, 35(12): 2169-2176，2210. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.009

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对不同厚度的板材进行拉深时会形成不同的压边间隙，在传统电控永磁压边工艺中，压边间隙中的介质为空气，在磁力加载时，压边间隙中的空气会形成磁回路气隙，导致磁力损耗。设计了一种将磁流变弹性体(MRE)作为聚磁介质填充到压边间隙中构建一种无磁路气隙的电控永磁压边方法，以减少磁力损耗。设计了一种具有36个磁极单元的压边力加载结构，并在不同压边间隙和不同磁力加载等级下进行有限元模拟，分析加入MRE后压边力的变化，并进行了实验验证。结果表明，MRE的加入能够有效提高压边力，随压边间隙增大提高效果显著，且加入MRE后并不影响压边力在板材压边区域的分布。以筒形件为实验对象进行拉深实验，验证了新工艺方法的可行性。

高应变速率下铝合金增塑降弹效应研究

夏亮亮1, 徐勇2, 李杰3, 解文龙2, 刘雪飞3, 张士宏2

2024, 35(12): 2177-2184. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.010

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针对高强轻质材料复杂薄壁构件在室温成形过程中存在的因低塑性导致的破裂和因大回弹导致的尺寸偏差等问题，以航空领域广泛应用的2024铝合金作为研究对象，分别开展低/高应变速率下的单向拉伸试验，以探究应变速率对2024铝合金塑性的影响规律。通过对比分析普通冲压、高速冲压和冲击液压三种加载方式下不同角度的板材弯曲成形，解耦分析了高应变速率和液体介质对板材回弹的影响规律。结果表明，高应变速率加载下2024铝合金表现出明显的“增塑”特性，其伸长率最大增幅可达到112.92%；在兼具高速加载特性和液压加载特性的冲击液压加载方式下，2024铝合金表现出明显的“降弹”特性，回弹角最大降幅达到110.25%，出现负回弹现象。

6063铝/20钢管磁脉冲胀形连接工艺研究

范治松, 李宁, 徐立凯, 邓将华

2024, 35(12): 2185-2192. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.011

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为探究带集磁器结构的异种金属管材磁脉冲胀形连接新方法，分析了集磁器条件下电磁力分布和铝管的胀形连接行为规律，通过连接接头拉脱实验，研究了主要工艺参数对磁脉冲胀形连接效果的影响。结果表明：集磁器显著提高了铝管胀形区电磁力，铝管与集磁器工作区的搭接长度对铝管胀形变形影响较大，当搭接长度为集磁器工作区长度的1.5倍时，获得了最大的有效接触面积；在外管仅发生弹性变形时，碰撞压力与放电电压呈正相关，接头抗拉脱载荷随放电电压增大而增大；在相同条件下，接头抗拉脱载荷随着径向间隙的增大呈现出先增大后减小的变化趋势，当放电电压为17 kV、径向间隙为4.0 mm、搭接长度为15 mm时，接头抗拉脱载荷最大，达到5021 N。

2-(U+UPS)PU+UPU平动机器人腿机构设计与力速性能分析

罗自荣, 徐毓泽, 陈善军, 王圣引, 卢钟岳, 朱一鸣

2024, 35(12): 2193-2202. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.012

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以自由度少、末端无伴随转动特征且控制复杂度低为设计目标，提出了一种2-(U+UPS)PU+UPU串并混联三自由度平动机器人腿机构。基于旋量理论分析了腿部机构的活动度并建立了腿部机构的运动学模型，仿真计算得到了腿部机构的末端工作空间和姿态变化特性，推导了末端速度雅可比矩阵及力雅可比矩阵，分析得到速度和力学特性变化规律。开发了所提出腿部机构的原型样机，验证了其可行性。

砷化镓解理加工的划片过程仿真分析及工艺研究

张庆正1, 姜晨1, 高睿2, 蒋金鑫1

2024, 35(12): 2203-2210. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.013

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为有效提高砷化镓（GaAs）基半导体激光芯片巴条谐振腔面解理加工质量，开展了一种新型点划方式的划片仿真分析及工艺实验。建立GaAs划片过程的有限元仿真模型，根据不同划片工艺，研究划片载荷及应力分布情况；开展解理工艺验证实验，分析解理面形貌特征，对划片工艺进行验证。研究结果表明，优化后的工艺方法（即由内向外点划片）可有效降低划片过程材料表面损伤程度，减少脆性断裂现象，实验结果与仿真结果具有较高的一致性。

不等速行星轮系机构混合多位姿综合方法及应用

王磊1, 2, 方子辰1, 王振涛1, 孙良1, 2, 俞高红1, 2, 崔荣江3

2024, 35(12): 2211-2220. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.014

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为使不等速行星轮系机构能够实现精准取放任务，提出一种混合多位姿运动综合方法。将不等速行星轮系机构视为平面2R开链机构与非圆齿轮传动机构的组合，以理想运动轨迹上关键位姿（精确与近似）数据为约束，基于杆长不变条件建立平面2R开链机构混合多位姿运动综合模型，并利用同伦算法求解获得最优结构参数；给出了非圆齿轮传动比计算与分配方法，实现了不等速行星轮系机构的混合多位姿运动综合。将此运动综合方法应用于农业机械领域取苗机构的设计可满足蔬菜穴盘苗精准取放移栽要求，通过虚拟仿真分析、物理样机实验验证了所提方法的正确性。

多模式弹性驱动器的研制及特性分析

韩亚丽, 朱晓军, 朱文亮, 盛士强, 吴应达

2024, 35(12): 2221-2230,2238. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.015

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针对目前刚性驱动器存在缓冲差、能耗大、驱动模式单一等问题，面向腿式机器人提出一款多模式弹性驱动器，采用电机带动丝杆螺母串联弹簧，并结合刹车装置，实现驱动器的多模式输出。首先根据腿式机器人膝关节的运动需求进行弹性驱动器设计；然后建立多模式弹性驱动器的刚柔耦合动力学模型，研究不同弹性系数及负载质量对驱动器输出性能的影响；最后，研制多模式弹性驱动器样机，搭建控制系统软硬件平台进行驱动器性能测试及其在机械腿中应用实验研究。实验结果表明，驱动器可实现模式之间的有效切换，且输出满足膝关节运动需求，验证了多模式弹性驱动器驱动性能的有效性。

SiCp/Al复合材料螺旋铣削力和制孔质量影响因素研究

周云光, 刘记, 王书海, 贾士奇

2024, 35(12): 2231-2238. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.016

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为了探究SiCp/Al复合材料螺旋铣削过程中材料去除机理以及铣削力和制孔质量影响规律，利用有限元仿真对加工表面形成机理进行研究，并通过试验验证了仿真的准确性。探索了工艺参数对铣削力、孔壁加工形貌、出入口棱边质量的影响规律，结果表明：螺旋铣削过程中铣削力随主轴转速增大而降低，随螺距和公转转速增大而增大；加工表面形貌均匀性随主轴转速增大而提高，随螺距和公转转速增大而降低；出口棱边质量随主轴转速和公转转速的增大而提高，随螺距增大而降低；入口棱边质量随主轴转速和螺距的增大而降低，公转转速对入口棱边质量没有影响。

以离散磨粒为计算单元的面齿轮展成磨削温度场预测方法

马晓帆1, 2, 蔡志钦1, 姚斌1, 陈冠峰3

2024, 35(12): 2239-2250. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.017

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面齿轮磨削温度场预测中存在两个难题：一是砂轮与面齿轮之间存在复杂的相对运动和接触变化，导致传统的齿轮磨削温度场模型失效；二是以往的磨削温度研究中，大多将砂轮工件接触区域整体作为一个移动带状热源，忽略了磨削接触区域中离散磨粒的微观切削行为，导致磨削温度场的计算精度不高。为解决上述问题，建立了面齿轮的材料去除模型，推导了轮齿材料去除参数的表达式，以砂轮离散磨粒为计算单元，将热流密度的建模与不同磨削阶段（滑擦、犁耕和切削）的磨削力模型相统一，提出了一种磨削温度预测新方法。面齿轮的磨削温度测量实验结果证明了该方法的预测误差为-6.94%～9.29%。同时，分析发现面齿轮展成磨削温度场呈现出明显的离散性、局部封闭性和非线性变化等特征，探讨了这些特征的产生机理。

重型集装箱卡车轮胎磨损颗粒物散射的分布特性

蒋维琦1, 施恒1, 黄海波1, 彭为2, 任睿1, 杜龙飞1, 许一伟1

2024, 35(12): 2251-2258. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.018

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建立了流固颗粒相单向耦合的重型集装箱卡车空气动力学模型，研究了不同车速下轮胎磨损颗粒物的空间和浓度分布。研究结果表明：重型卡车轮胎磨损颗粒物扩散受车尾涡流影响较大；在横向上，扩散宽度在车后呈现先增大后稳定的趋势，最宽可以达到3.0 m，颗粒物浓度呈现先升高后降低的趋势，在横向1.0 m位置达到最高值0.34 mg/m3；在纵向上，磨损颗粒物扩散高度先升高后保持高度，在车后方4.0 m位置最高可以达到4.8 m左右，颗粒物浓度呈现先升高后降低的趋势，浓度最高可达到0.33 mg/m3，出现在车后方1.0 m截面0.5 m高度位置。获得的轮胎磨损颗粒物的空间扩散分布特性和浓度分布规律可为重型集装箱卡车颗粒物造成的环境问题研究及其捕集策略的制定提供科学参考。

316不锈钢低周疲劳响应与寿命预测改进方法研究

李牧衡, 范海贵, 杨斌, 吴东晓

2024, 35(12): 2259-2267. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.019

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基于文献中0.4%、0.8%、1.0%应变幅下疲劳实验数据，对硬化参数与应变幅之间的关系进行了系统研究，得到了硬化参数关于应变幅的拟合曲线。建立了能够反映疲劳循环滞回曲线、峰值应力演化曲线和损伤演化曲线的有限元模型，通过数值模拟结合Manson-Coffin方程分别进行了0.5%、0.7%、0.9%、1.2%应变幅下疲劳寿命预测。开展了0.9%和1.2%应变幅下316不锈钢低周疲劳实验，对寿命预测结果进行了验证。研究结果表明，所预测的疲劳响应过程与实验结果吻合度较高，0.9%应变幅下寿命预测误差为21.1%，1.2%应变幅下误差为5.3%，证明了提出的疲劳响应与寿命预测改进方法的准确性。

离散组装八面体超材料设计与性能调控

付君健1, 2, 4, 蒙永根1, 吴海华1, 胡欢3, 李响1, 2, 周祥曼1, 2

2024, 35(12): 2268-2279. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.020

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为解决八面体超材料大规模应用受制备工艺限制的问题，提出了一种八面体超材料离散组装设计与性能调控方法。首先将传统三维八面体超材料分解为二维模块化片体结构，采用稳定、易拆装的螺栓连接方式组装成三维八面体超材料及周期性扩展结构，并推导了离散组装设计模型的参数化形式。然后分析了模块化片体结构的力学特性，采用有限元分析方法验证了离散组装模型的力学性能。最后，提出了基于数字编码思想的三阶魔方排布性能调控方法，对离散组装八面体超材料正交方向的性能差异进行了优化。研究结果表明，基于螺栓连接的离散组装设计丰富了八面体超材料的制造和扩展形式，三阶魔方调控模型效解决了离散组装设计带来的性能偏差，为八面体超材料的低成本制造和大规模应用提供了创新解决方案。

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2024, 35(12): 2280.

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2024, 35(12): 2281.

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