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主轴式滚磨光整加工直齿圆柱齿轮齿面的颗粒作用行为

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金刚石与磨料磨具工程 2023年第6期43卷 772-781页

作者：樊宇李文辉杨胜强李秀红杨英波冯利东太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学航空航天学院山西晋中030600 精密加工山西省重点实验室太原030024

为探究主轴式滚磨光整加工中齿轮与颗粒接触界面处的作用行为,基于离散元法(discrete element method,DEM)对主轴式滚磨光整加工进行模拟仿真。首先阐述齿轮附近及齿面接触颗粒的运动形式,然后探究齿轮埋入深度、齿轮和滚筒的转速对齿... 详细信息

为探究主轴式滚磨光整加工中齿轮与颗粒接触界面处的作用行为,基于离散元法(discrete element method,DEM)对主轴式滚磨光整加工进行模拟仿真。首先阐述齿轮附近及齿面接触颗粒的运动形式,然后探究齿轮埋入深度、齿轮和滚筒的转速对齿面接触颗粒相对运动速度及齿面接触力的影响,最后通过实验进行验证。结果表明:主轴式滚磨光整加工对齿轮齿面的作用具有周期性;齿轮上下齿面受力不均匀,上齿面所受接触力是下齿面的1.5~1.8倍。增加齿轮埋入深度主要影响颗粒与齿面的接触力,埋入深度增大75%,齿面接触力增大76%;提升齿轮与滚筒转速则主要影响颗粒与齿面的相对运动速度,齿轮与滚筒转速增大150%,齿面接触颗粒相对运动速度增大148%。且增加齿轮埋入深度可减小齿轮齿面沿轴向的加工差异性,埋入深度由80 mm增大到140 mm后,上下齿面沿轴向的粗糙度下降率由17%和36%变为62%和55%,而改变转速和埋入深度对沿齿廓方向的加工差异性改变不明显。

关键词：齿轮滚磨光整加工离散元模拟颗粒流场应力测试

主客观赋权专家推理的滚磨光整加工工艺要素决策

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控制工程 2023年

作者：张浩田建艳王良晨史玉皓孙家飞杨胜强太原理工大学电气与动力工程学院太原理工大学机械与运载工程学院廊坊市北方天宇机电技术有限公司

滚磨光整加工是先进制造技术中提高零件表面质量和改善使用性能的表面完整性加工工艺，滚抛磨块、光整设备和磨液是影响滚磨光整加工效果和效率的核心工艺要素。目前，采用专家推理方法可以实现滚抛磨块决策，但应用于光整设备和磨液决... 详细信息

滚磨光整加工是先进制造技术中提高零件表面质量和改善使用性能的表面完整性加工工艺，滚抛磨块、光整设备和磨液是影响滚磨光整加工效果和效率的核心工艺要素。目前，采用专家推理方法可以实现滚抛磨块决策，但应用于光整设备和磨液决策时其准确率不理想，并且当新问题特征信息不完整时无法对工艺要素进行决策。因此，提出了基于主客观赋权专家推理(SOE-ER)的滚磨光整加工工艺要素决策模型，首先详细阐述了分级分类规则构建过程，然后介绍了专家推理中的主客观赋权，最后搭建了基于SOE-ER模型的滚磨光整加工工艺要素决策系统，并进行了实验研究。结果表明SOE-ER模型对三种核心工艺要素均具有较高的决策准确率，可以为新问题的工艺要素决策提供合理有效的指导。

关键词：滚磨光整加工加工工艺要素专家推理主客观赋权决策系统

工件固定方式对振动式滚磨光整加工效果影响的实验研究

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机械设计与制造 2022年第3期373卷 7-14页

作者：姚强 Md Ahmed Sanuar Hossain 李秀红白小云太原理工大学机械工程学院山西太原030024 精密加工山西省重点实验室山西太原030024

目的为了探索卧式振动滚磨光整加工中加工规律,寻找最优加工位置,以满足实际加工需求,提高零件表面完整性。方法在两种固定方式下,将工件置于不同深度、不同水平位置,测试加工后工件表面粗糙度,对比两种固定方式加工效果,并用曲线拟合... 详细信息

目的为了探索卧式振动滚磨光整加工中加工规律,寻找最优加工位置,以满足实际加工需求,提高零件表面完整性。方法在两种固定方式下,将工件置于不同深度、不同水平位置,测试加工后工件表面粗糙度,对比两种固定方式加工效果,并用曲线拟合找出最优加工位置。结论工件在两种固定方式下,工件各区域加工后表面粗糙度随着深度的增加先下降再上升后降低,随着与左桶壁水平位置距离的增加先下降后上升。在内固定方式下,工件表面粗糙度下降速率明显快于外固定,工件能达到的极限表面粗糙度值是外固定方式下的(0.4~0.5)倍,且工件加工后不均匀性弱于外固定。通过深度、水平位置的曲线拟合及实验验证,工件的最优加工位置为:埋入深度220mm,距左桶壁275mm。

关键词：滚磨光整加工工件固定方式:表面粗糙度最优加工位置

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主轴式滚磨光整加工主要参数对力链影响研究

机械设计与制造 2022年第12期 113-119页

作者：赵鑫李秀红李文辉杨胜强太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024 精密加工山西省重点实验室山西太原030024

滚磨光整加工过程中磨块的力链网络及力学行为对加工效果有重要影响。以主轴式滚磨光整加工为研究对象,主要研究滚磨过程中滚筒转速和磨块直径对滚筒内磨块群力链特性的影响,通过建立力链数目、长度、强度和准直线系数评估标准来对力链... 详细信息

滚磨光整加工过程中磨块的力链网络及力学行为对加工效果有重要影响。以主轴式滚磨光整加工为研究对象,主要研究滚磨过程中滚筒转速和磨块直径对滚筒内磨块群力链特性的影响,通过建立力链数目、长度、强度和准直线系数评估标准来对力链进行量化研究。研究结果表明:在相同条件下,滚筒转速越高,力链数量越多,力链强度越大,力链准直线系数越大,稳定性越好,滚筒内磨块之间的相对运动越小。而磨块直径越小,力链数量越多,力链强度也越大。磨块直径越大,力链准直线系数越大,力链系统越稳定,滚筒内磨块之间的相对运动越小,磨块对工件的相对运动也越小。研究工作为从细观力链层面解释加工效果及加工效率提供理论基础。

关键词：滚磨光整加工离散元力链特性力链量化 PFC模拟

退火和深冷处理对7075铝合金滚磨光整加工性能的影响

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组合机床与自动化加工技术 2023年第10期 145-149页

作者：杨林滋李永刚何琼朱艳强太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学精密加工山西省重点实验室太原030024 太原理工大学山西省金属材料腐蚀与防护工程技术研究中心太原030024

为探索冷热处理对7075铝合金试件滚磨光整加工效果的影响,对原始态、退火态和深冷态(深冷处理9 h)试样进行滚磨光整加工实验和摩擦磨损实验,记录加工过程中试件表面粗糙度值和质量等数据,采用扫描电子显微镜和超景深光学显微镜,表征试... 详细信息

为探索冷热处理对7075铝合金试件滚磨光整加工效果的影响,对原始态、退火态和深冷态(深冷处理9 h)试样进行滚磨光整加工实验和摩擦磨损实验,记录加工过程中试件表面粗糙度值和质量等数据,采用扫描电子显微镜和超景深光学显微镜,表征试件的表面形貌和磨痕形貌,采用能谱仪分析磨痕表面元素的成分。结果表明,滚磨光整加工后,深冷态试样表面粗糙度下降率和材料去除率较原始态有明显提高,且表面一致性高,表面光亮度最好。摩擦磨损实验中,深冷态试件的摩擦系数波动最小,总体变化更加平稳,其磨损机制主要为粘着磨损。

关键词： 7075铝合金退火和深冷处理滚磨光整加工表面形貌摩擦磨损性能

冷热处理对7075铝合金力学性能及滚磨光整加工性能的影响

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冷热处理对7075铝合金力学性能及滚磨光整加工性能的影响

作者：杨林滋太原理工大学

学位级别：硕士

随着金属铝在高端领域的应用与不断发展,对包括7075铝合金在内的一系列铝制品的表面质量及力学性能提出了更高的要求。退火和深冷处理工艺可以有效改善合金力学性能,滚磨光整加工技术也在改善合金表面质量方面有显著作用,研究冷热处理... 详细信息

随着金属铝在高端领域的应用与不断发展,对包括7075铝合金在内的一系列铝制品的表面质量及力学性能提出了更高的要求。退火和深冷处理工艺可以有效改善合金力学性能,滚磨光整加工技术也在改善合金表面质量方面有显著作用,研究冷热处理协同滚磨光整加工改善7075铝合金试件的力学及表面性能十分必要。本文首先对7075铝合金进行退火和不同时间的深冷处理,研究冷热处理对7075铝合金力学性能的影响,接下来对不同热处理状态的7075铝合金进行了滚磨光整加工实验和摩擦磨损实验,探索冷热处理对试件滚磨光整加工性能的影响以及不同热处理状态下试件的摩擦磨损性能,最后利用EDEM软件对滚磨光整加工过程进行仿真分析,结合实验结果从微观角度探究不同热处理状态试件在加工过程中的运动轨迹以及受力情况。本文具体研究内容与结论如下:(1)7075铝合金经过不同时间的深冷处理后,其显微硬度值总体呈现下降趋势。这是因为试件经过退火处理后显微组织发生完全再结晶,晶粒快速长大,且变得均匀。经过深冷处理后试件显微组织中粗大第二相的密度降低。与原始态试件相比,经过冷热处理的试件抗拉强度和屈服强度以及弹性模量都有所下降,拉伸率有提高。从拉伸试件的断口形貌可以看出原始态试件的断裂是由脆性断裂和韧性断裂组成的。退火态和深冷态试件断口则主要表现为韧性断裂。(2)对不同深冷处理时间的7075铝合金进行30 min的滚磨光整加工实验,结果表明,深冷处理9 h试件的滚磨光整加工效果最好。对不同热处理状态下的7075铝合金进行滚磨光整加工实验,结果表明,滚筒转速300 r/min、磨块直径2 mm时,退火态和深冷态的7075铝合金经过滚磨光整加工后其表面粗糙度下降率和材料去除率都明显高于原始态试件。且深冷态试件加工后表面纹理基本去除,表面均匀一致性高。(3)对不同热处理状态7075铝合金进行摩擦磨损实验,结果表明,干式和湿式条件下,深冷态试件主要以黏着磨损为主,且磨损率高于原始态试件,磨损后磨痕表面更加均匀。在滚磨光整加工实验中表现为表面粗糙度的下降率和材料去除率高,加工后表面改善效果显著,表面无明显缺陷,深冷处理对提高试件的滚磨光整加工效率有显著影响。(4)EDEM仿真结果表明,加工过程中,滚抛磨块的运动速度呈相对稳定状态,试件在距离筒底30-40 mm处做近似圆周运动,且试件在加工过程中能量和速度基本没有变化。工件受到的法向力远远大于切向力,冷热处理对加工过程中试件的受力无明显影响,但由于试件本身力学性能的变化,使得在同等作用力下,退火态和深冷态试件的滚磨光整加工效果优于原始态试件。(5)对不同热处理状态的试件进行了正交实验,探索不同热处理状态试件的最佳加工参数,得出对于试件硬度为200 HV以上的原始态试件,滚磨光整加工的最佳参数为滚筒转速350 r/min、磨块直径6 mm、加工时间30 min,而对于试件硬度为50-70HV的退火态和深冷态试件,滚磨光整加工的最佳参数为滚筒转速300 r/min、磨块直径4 mm、加工时间30 min。

关键词： 7075铝合金退火和深冷处理力学性能滚磨光整加工摩擦磨损 EDEM模拟

直齿圆柱齿轮旋流式和拖曳式滚磨光整加工差异性分析

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直齿圆柱齿轮旋流式和拖曳式滚磨光整加工差异性分析

作者：樊宇太原理工大学

学位级别：硕士

齿轮作为传动装置的核心组成部分,在整个机械制造业中具有至关重要的地位。现代高端制造业对齿轮的特性有更高的要求,其中包括高承载能力、高使用寿命、高效率等。然而,我国的齿轮制造还主要集中在中低端水平,齿轮的表面质量问题成为制... 详细信息

齿轮作为传动装置的核心组成部分,在整个机械制造业中具有至关重要的地位。现代高端制造业对齿轮的特性有更高的要求,其中包括高承载能力、高使用寿命、高效率等。然而,我国的齿轮制造还主要集中在中低端水平,齿轮的表面质量问题成为制约我国制造业高水平、高质量发展的瓶颈。因此,提高齿轮表面质量,以满足现代高端制造业对齿轮特性的更高要求,是当前亟待解决的问题。旋流式和拖曳式滚磨光整加工是常见的齿轮光整加工技术,二者加工方式类似,但现阶段齿轮滚磨光整加工方式的选用主要由工程师主观经验决定,缺乏其加工差异性的理论研究。本文通过运动学计算、离散元模拟和实验验证三个方面对旋流式与拖曳式滚磨光整加工进行了分析并对比了两种存在的差异,为实际加工提高理论依据与参考。主要研究内容如下:(1)对齿轮进行了数学建模,分别对旋流式和拖曳式滚磨光整加工中齿轮齿廓上任意一点的运动轨迹、切削速度和加速度等变量计算公式进行推导,并分析了齿轮转速、滚筒转速和中心距等参数对齿轮加工效果的影响。结果表明:两种加工方式虽然运动轨迹不同但其切削速度和加速度基本相同。齿轮自转与滚筒自转转向为同向时其齿面加工均匀性较好。相比齿轮与滚筒中心距齿面一点的加速度受转速的影响更为显著。(2)基于离散元法对滚筒内的颗粒和齿面接触颗粒的运动行为进行分析。发现齿面接触颗粒在两种加工方式中的运动形式可分为三个阶段,分别为颗粒流入阶段、颗粒稳定流入阶段和颗粒流出阶段,其中颗粒流入阶段和颗粒流出阶段颗粒运动速度快,颗粒数目较小,稳定流入阶段的颗粒运动速度小,但颗粒的数目多且基本保持恒定。(3)研究了不同工艺参数对旋流式和拖曳式滚磨光整加工齿面法向接触力、齿面沿轴向加工均匀性、齿面沿齿根到齿顶加工均匀性和齿轮的阴阳齿现象的影响,并对比两种加工方式存在的差异。研究发现:增大齿轮埋入深度和中心距可以在保持齿面加工均匀性的前提下显著增大齿面法向接触力,埋入深度增大75%,旋流式和拖曳式齿面法向接触力分别增大82.22%和58.98%,中心距增大55%,两者法向接触力分别增大117.91%和82.47%;增大滚筒或齿轮滚转转速对齿面法向接触力影响较小;在旋流式滚磨光整加工中齿轮与滚筒转向为同向时,齿面的阴阳齿现象有很大的改善;通过改变加工参数很难改善齿面沿齿顶到齿根受力不均匀的问题。拖曳式在中心距较小,深度较小时齿面法向接触力大于旋流式,而在中心距和埋入深度较大时,旋流式法向接触力大于拖曳式,而转速比、滚筒转速或齿轮公转转速对两者差异性影响较小。

关键词：滚磨光整加工旋流式拖曳式齿轮离散元法应力测试

基于专家推理的滚磨光整加工工艺要素决策及平台扩展

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基于专家推理的滚磨光整加工工艺要素决策及平台扩展

作者：张浩太原理工大学

学位级别：硕士

滚磨光整加工是先进制造技术中提高零件表面质量和改善使用性能的表面完整性制造工艺,成本较低、加工方法相对简单、加工效率较高,被应用于我国的许多零件加工行业。滚抛磨块、光整设备和磨液是影响滚磨光整加工效果和效率的核心加工工... 详细信息

滚磨光整加工是先进制造技术中提高零件表面质量和改善使用性能的表面完整性制造工艺,成本较低、加工方法相对简单、加工效率较高,被应用于我国的许多零件加工行业。滚抛磨块、光整设备和磨液是影响滚磨光整加工效果和效率的核心加工工艺要素。目前,在滚磨光整加工过程中,技术人员需要根据专家经验并通过大量的实验进行加工工艺要素决策,决策过程繁杂、试错成本较高,且已有的加工工艺成功实例没有得到充分利用,经验知识没有得到充分挖掘,而专家系统能充分挖掘专家知识和经验进行推理、判断和决策。因此,有必要研究基于专家推理的方法对滚磨光整加工工艺要素决策。近年来,基于专家推理的研究迅速发展,为滚磨光整加工工艺要素决策研究提供了良好的理论指导,但基于专家推理的滚磨光整加工工艺要素决策时仍存在如下问题需要深入研究:1)数据库平台加工零件多变、加工要求多样、加工工艺要素众多,案例数据表征粗略;2)数据库平台不同特征的范围等级和隶属区间划分标准不完善,且案例数据量不断增大,基本的规则库构建方法不再适用;3)设备、磨液决策准确率较低,并且当新问题特征信息不完整时无法对加工工艺要素进行决策。针对上述问题,本论文提出了基于专家推理的滚磨光整加工工艺要素决策模型,并基于研究团队构建的“面向全产业链应用的滚磨光整加工工艺智能数据库平台”扩展了基于专家推理的滚磨光整加工工艺要素决策系统。在决策系统平台上实验验证,结果表明该模型对三种加工工艺要素均具有较高的决策准确率,并且特征信息不完整时无法进行加工工艺要素决策的问题得以解决,为滚磨光整加工领域的加工工艺要素智能决策提供了方法指导。本论文主要研究内容有:(1)针对影响加工工艺要素决策参数众多、案例数据表征粗略的问题,研究加工工艺要素特征参数对零件加工效果的影响,以及影响加工工艺要素决策的零件特征和加工要求,利用实体联系图确定影响加工工艺要素决策的规则特征参数,完成加工工艺要素决策的规则特征构建和数字化表征。(2)为了更高效的构建合理的规则库,提出了基于分级分类的加工工艺要素区间规则构建方法,首先根据专家经验、国家标准、数据分布特征进行特征值范围划分和隶属区间的确定;其次,采用改进模糊C均值(Fuzzy C-means,FCM)算法确定训练集;然后进行案例的分级分类,根据案例后件种类和案例前件关键因素进行分级分类;最后建立区间规则,采用改进的产生式规则表示法进行规则构建,最终实现规则库的构建,为专家推理提供条件。(3)为了进一步提高加工工艺要素决策准确率,提出了主客观赋权专家推理(Subjective and Objective Empowering Expert Reasoning,SOE-ER)的滚磨光整加工工艺要素决策模型,首先对新问题信息进行特征值区间化,并计算规则主观特征权重;其次计算新问题前件与规则库中规则前件的综合加权相似度,根据阈值确定激活规则;然后计算被激活规则的客观规则权重;最后进行被激活规则的聚合,得到推理结果。实验结果表明,SOE-ER决策模型为滚磨光整加工工艺要素决策提供了合理有效的指导。(4)为了实现对加工工艺要素的实时决策,基于C#语言设计扩展了基于专家推理的加工工艺要素决策系统平台界面,实现了加工工艺要素的智能决策。

关键词：滚磨光整加工加工工艺要素专家推理分级分类主客观赋权决策系统

基于多源域迁移学习的滚磨光整加工工艺要素智能决策模型及平台扩展

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基于多源域迁移学习的滚磨光整加工工艺要素智能决策模型及平台扩...

作者：史玉皓太原理工大学

学位级别：硕士

滚磨光整加工技术是机械加工领域的基础性制造工艺技术,其主要通过零件和滚抛磨块、磨液在光整设备内的复杂相对运动对零件表面进行碰撞、滚压等复杂作用,达到改善零件表面质量和使用性能的目的。其中,滚抛磨块、磨液、光整设备是影响... 详细信息

滚磨光整加工技术是机械加工领域的基础性制造工艺技术,其主要通过零件和滚抛磨块、磨液在光整设备内的复杂相对运动对零件表面进行碰撞、滚压等复杂作用,达到改善零件表面质量和使用性能的目的。其中,滚抛磨块、磨液、光整设备是影响加工效率和效果的关键工艺要素。当滚磨光整加工工艺要素决策中新零件与原有加工经验的特征信息分布差异较大时,现有的基于案例推理和专家推理模型会发生决策不准的问题,因此有必要引入迁移学习技术。迁移学习具备特征信息和标签信息依赖性低的特点,可以有效解决数据分布不一致问题而导致的决策不准现象。目前,研究团队已构建了基于条件分布适配-流行正则化(Conditional Distribution Adaptation-Manifold Regularization,CDA-MR)的迁移学习的滚抛磨块决策模型,为加工中滚抛磨块的决策提供有效建议。但随着案例的大量收集,多源域的可迁移性的合理分析和迁移效果的有效处理成为了限制迁移学习决策的主要问题,同时工艺要素的决策扩展也是滚磨光整加工的迫切需求。针对上述问题,本论文研究了一种基于多源域迁移学习的滚磨光整加工工艺要素智能决策模型,并在研究团队已构建的“面向全产业链应用的滚磨光整加工工艺智能数据库平台”的基础上扩展智能决策系统,合理利用多源域案例集的信息为滚磨光整加工中新零件与原有加工经验的特征信息分布差异较大时工艺要素的决策提供指导建议。本论文主要研究内容有:(1)总结整理最新获取的工艺数据,在研究团队已建立的数据库平台的基础上进行了统一录入和管理;通过特征分类表征对工艺案例的零件信息、加工前特征、加工要求和滚抛磨块、磨液、光整设备三个关键工艺要素进行了特征表征研究;构建基于多源域迁移学习的滚磨光整加工工艺智能决策模型的实体联系图。(2)针对多源域迁移时传统方法缺乏对多源域的可迁移性的合理分析和迁移效果的有效处理问题,本论文提出了基于流形结构的多源自适应(Multi Domain AdaptationManifold Regularization,MDA-MR)多源域迁移学习算法。首先,对多源域进行可迁移性分析,选择可迁移的源域;然后,适配边缘分布和条件分布并引入均衡因子得到均衡分布适配,同时利用流形正则化约束数据结构使单源域的信息使用最大化;最后,通过加权因子对各源域分类器进行自适应加权,充分利用多源域的信息求解目标域问题。将该算法应用于滚抛磨块的决策并进行大量实验,验证了算法改进的有效性。(3)针对滚磨光整加工中存在当新零件与原有加工经验的特征信息分布差异较大时基于案例推理和专家推理工艺要素决策模型决策不准的问题,在MDA-MR的基础上提出了加权多源自适应(Weighted Multi Domain Adaptation,WMDA)多源域迁移学习算法。首先,为提高算法的适用范围,对已提出的MDA-MR进行改进,采用适配因子调节适配项的作用占比提高单源域的决策效率,并引入Wasserstein距离调节分类器加权提高多源域的决策效率,提出了WMDA算法;然后,针对因预测目标分类过多引发的负迁移问题,设计了工艺要素相似度匹配算法(Process Element Similarity Matching,PESM),构建了基于WMDA多源域迁移学习算法的滚磨光整加工工艺要素决策模型,并通过消融实验和对比实验验证了改进的必要性,为滚磨光整加工提供更有效的理论支持。(4)为提高人机交互的友好性,本论文实现了MATLAB、Oracle数据库和平台界面的技术联调,在已构建的数据库平台上拓展搭建了基于多源域迁移学习的滚磨光整加工工艺智能决策系统,为滚磨光整加工提供更有价值的决策支持与技术支持。

关键词：滚磨光整加工多源域迁移学习工艺要素智能决策智能决策系统相似度匹配算法