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基于PSO-ELM的316L不锈钢细长管磁粒研磨内表面粗糙度预测模型

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中国表面工程 2023年第2期36卷 212-221页

作者：李昌龙陈松吴炫炫赵耀耀李雨龙李鑫辽宁科技大学机械工程与自动化学院鞍山114051

针对316L不锈钢细长管磁粒研磨加工过程中,最佳工艺参数难以选择,以及加工后对工件内表面粗糙度(Ra)的预测问题,将影响磁粒研磨316L不锈钢细长管内表面粗糙度的四个工艺参数作为输入值,内表面粗糙度作为输出值,构建粒子群(PSO)优化极限... 详细信息

针对316L不锈钢细长管磁粒研磨加工过程中,最佳工艺参数难以选择,以及加工后对工件内表面粗糙度(Ra)的预测问题,将影响磁粒研磨316L不锈钢细长管内表面粗糙度的四个工艺参数作为输入值,内表面粗糙度作为输出值,构建粒子群(PSO)优化极限学习机(ELM)模型来预测316L不锈钢细长管内表面粗糙度,利用PSO对工艺参数进行全局寻优,获得最佳工艺参数组合,最后通过试验与预测结果进行对比。构建的PSO-ELM表面粗糙度预测模型拟合优度R2为0.9848,绝对误差(MAE)为0.0134,均方根误差(RMSE)为0.0214。得到的最佳工艺参数组合为:主轴转速2389.011r/min,进给速度3.167 mm/s,磨料粒径216.185μm,加工时间35.856 min,预测Ra为0.178μm。对工艺参数进行调整,试验得到的Ra为0.182μm,与预测值相比误差为2.24%。基于PSO-ELM方法构建316L不锈钢细长管内表面粗糙度预测模型,实现对工件内表面粗糙度的精确预测,应用粒子群方法得到最佳工艺参数组合,提高了磁粒研磨316L不锈钢细长管的加工效率。

关键词：磁粒研磨细长管内表面粒子群(PSO) 极限学习机(ELM) 表面粗糙度

非均布约束刚度下硬涂层圆柱壳自由振动的半解析建模及分析

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振动与冲击 2023年第20期42卷 280-285页

作者：杨建张月宋华辽宁科技大学机械工程与自动化学院辽宁鞍山114051

为有效模拟圆柱壳服役过程的螺栓连接失谐情况,提出了一种周向离散非均布弹性约束模型。在此基础上,利用Rayleigh-Ritz法建立非均布约束刚度下硬涂层圆柱壳自由振动半解析模型。以涂敷NiCoCrAlY+YSZ硬涂层材料的薄壁圆柱壳为例,通过理... 详细信息

为有效模拟圆柱壳服役过程的螺栓连接失谐情况,提出了一种周向离散非均布弹性约束模型。在此基础上,利用Rayleigh-Ritz法建立非均布约束刚度下硬涂层圆柱壳自由振动半解析模型。以涂敷NiCoCrAlY+YSZ硬涂层材料的薄壁圆柱壳为例,通过理论与试验和有限元结果对比验证了该模型的合理性。同时,进一步探讨了螺栓连接失谐对硬涂层圆柱壳复合结构振动特性的作用规律。结果表明,在不同螺栓数量下,随着约束刚度失谐参数的增加,结构固有频率整体呈现逐渐增加的变化趋势其变化速率逐渐减小。随着螺栓数量的增加,约束刚度失谐参数对硬涂层圆柱壳复合结构固有频率的显著影响整体上逐渐由低周向波数转向高周向波数。

关键词：硬涂层圆柱壳螺栓连接弹性约束自由振动半解析

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超声振动辅助磁粒研磨技术的研究进展

振动与冲击 2023年第6期42卷 39-54,78页

作者：舒坤孙岩陈燕辽宁科技大学机械工程与自动化学院辽宁鞍山114051

超声振动辅助磁粒研磨技术是在磁粒研磨的基础上增加了超声波振动功能,可以在短时间内将表面抛光至纳米级别,因其具有辅助研磨效果佳、可控性和适用性好等优点,在越来越多的领域得到了应用。首先对超声辅助磁粒研磨加工技术的发展概况... 详细信息

超声振动辅助磁粒研磨技术是在磁粒研磨的基础上增加了超声波振动功能,可以在短时间内将表面抛光至纳米级别,因其具有辅助研磨效果佳、可控性和适用性好等优点,在越来越多的领域得到了应用。首先对超声辅助磁粒研磨加工技术的发展概况进行了简要介绍,分别从表面粗糙度、材料去除率、显微组织和残余应力等方面进行了重点分析和总结。其次,超声振动工艺参数是影响研磨效果的重要因素,优化选取振幅、振动频率、主轴转速以及磨料粒径等工艺参数可以明显提高研磨效果。此外还要考虑合适的加工时间和加工间隙,从而对复杂曲面进行精密研磨。最后,提出了超声振动辅助磁粒研磨加工技术研究中存在的一些缺陷,并对其未来的发展趋势进行了展望。

关键词：超声振动磁粒研磨工艺参数表面粗糙度材料去除率磁极

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弯管点云面型识别与磁粒研磨试验

表面技术 2023年第5期52卷 226-234,246页

作者：李鑫陈松李雨龙赵耀耀李昌龙解志文辽宁科技大学机械工程与自动化学院辽宁鞍山114051

目的解决空间异形弯管折弯处内壁研磨困难,普遍采用的弯管磁粒研磨工艺存在手动采点误差大、机械手坐标精度低及研磨间隙差异大等问题。方法首先对弯管内壁的研磨原理进行分析,对管内流体和磁极排布进行仿真模拟,分析不同研磨间隙下... 详细信息

目的解决空间异形弯管折弯处内壁研磨困难,普遍采用的弯管磁粒研磨工艺存在手动采点误差大、机械手坐标精度低及研磨间隙差异大等问题。方法首先对弯管内壁的研磨原理进行分析,对管内流体和磁极排布进行仿真模拟,分析不同研磨间隙下的磁感应强度变化及管件压力和流速的变化,利用三维光学扫描仪扫描点云数据,对扫描的数据进行三维重建,截取折弯处,提取特征点,通过主成分分析法构建点云坐标系,最后将提取到的特征点进行坐标转换,利用处理后的点云数据进行磁粒研磨弯管内壁,与手动采点试验后的研磨效果进行对比,证明其可行性。结果采用点云识别获取弯管中线轨迹更平滑,在相同条件下,经过手动采点研磨弯管使其表面粗糙度降至0.18μm,点云面型特征识别弯管将表面粗糙度降至0.10μm,同时其表面形貌效果最佳,表面凹坑、划痕完全被去除,研磨痕迹较浅。结论点云面型的识别方法能够快速获取弯管研磨轨迹,并且经过点云数据处理,提高了中线采取的准确性,同时保证了研磨过程的稳定性,克服了因研磨间隙变化产生的研磨效果不均匀问题。

关键词：磁粒研磨磁场仿真流体仿真点云三维重建主成分分析位姿

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基于多轴刀路轨迹的自由曲面磁粒研磨试验

表面技术 2023年第4期52卷 319-328页

作者：赵耀耀陈松李昌龙李鑫李雨龙辽宁科技大学机械工程与自动化学院辽宁鞍山114051

目的通过自由曲面的磁粒研磨试验,使工件曲面经研磨后能够获得较好的表面形貌,降低工件的表面粗糙度。方法使用UG生成曲面三维模型,利用后处理功能,生成包含刀具位置和姿态的刀位文件,提取刀位文件中原始的刀路轨迹点,分析刀路轨迹,利... 详细信息

目的通过自由曲面的磁粒研磨试验,使工件曲面经研磨后能够获得较好的表面形貌,降低工件的表面粗糙度。方法使用UG生成曲面三维模型,利用后处理功能,生成包含刀具位置和姿态的刀位文件,提取刀位文件中原始的刀路轨迹点,分析刀路轨迹,利用曲率的临界值提取轨迹的特征点。采用积累弦长参数化法对提取的轨迹特征点进行三次B样条插值,对比插值前后轨迹点拟合曲线在z轴的误差,再根据刀轴矢量计算机械臂末端姿态。选择磁极的不同开槽方式,并在Ansoft Maxwell软件里进行仿真模拟和分析,选定理论上较优的球形开槽磁极形式。通过试验加工铝合金自由曲面,对比研磨前后的表面形貌和表面粗糙度。结果使用积累弦长参数法进行3次B样条插值,获得了步长较为均匀的轨迹点,优化了原始刀位轨迹。在球形磁极上进行开槽,使均匀磁场变为非均匀磁场,同时使最大磁感应强度由0.556 T增至0.727 T,增大了磁粒研磨过程中的研磨力。对铝合金曲面的部分区域进行60 min的研磨,其表面平均粗糙度从原始的Ra 8.71μm降至Ra 0.56μm。结论将磁粒研磨与六自由度机械臂结合,进行曲面的光整加工,可以有效改善工件的表面质量,降低其表面粗糙度。

关键词：磁粒研磨表面光整加工自由曲面六轴机械臂三次B样条插值

双功能梯度碳纳米管增强复合材料旋转圆柱壳的振动分析

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航空学报 2023年第13期44卷 105-118页

作者：王宇徐宏达李昊李昌辽宁科技大学机械工程与自动化学院鞍山114051

对3种边界条件下旋转态双功能梯度碳纳米管增强复合材料(DFG-CNTRC)圆柱壳的行波振动特性开展了研究。首先,根据建立的DFG-CNTRC圆柱壳模型,分析了以金属-陶瓷功能梯度材料为基体的5种类型碳纳米管增强材料的性能参数。其次,基于Sander... 详细信息

对3种边界条件下旋转态双功能梯度碳纳米管增强复合材料(DFG-CNTRC)圆柱壳的行波振动特性开展了研究。首先,根据建立的DFG-CNTRC圆柱壳模型,分析了以金属-陶瓷功能梯度材料为基体的5种类型碳纳米管增强材料的性能参数。其次,基于Sanders壳体理论和传递矩阵方法,考虑转速影响,推导了任一截面状态向量的常微分方程组和整体传递矩阵关系。最后,对简支-简支(S-S)、固支-固支(C-C)和固支-自由(C-F)3种典型边界条件下的动力学微分方程进行求解计算,验证了理论分析的正确性。研究表明,科氏力和离心力效应引起行波频率出现了分离现象和增大趋势,边界条件和碳纳米管体积分数对行波振动特性的影响显著,而基体材料体积分数指数对振动特性的影响较小,长度和厚度对结构振动特性影响均不同。

关键词：功能梯度材料基体碳纳米管增强材料旋转圆柱壳传递矩阵方法行波振动

基于Hilbert曲线磁粒研磨轨迹均匀性实验研究

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表面技术 2022年第8期51卷 408-417页

作者：张志鹏陈燕潘明诗吴炫炫高慧敏辽宁科技大学机械工程与自动化学院辽宁鞍山114051

目的改善传统平面磁粒研磨中轨迹均匀性较差、材料去除不均匀等问题。方法首先,基于Hilbert分形曲线加工平面,对Hilbert分形曲线进行几何特征的修改,进一步改善研磨轨迹的均匀分布;其次,传统磁粒研磨平面时采用圆柱磁极,其半径方向线速... 详细信息

目的改善传统平面磁粒研磨中轨迹均匀性较差、材料去除不均匀等问题。方法首先,基于Hilbert分形曲线加工平面,对Hilbert分形曲线进行几何特征的修改,进一步改善研磨轨迹的均匀分布;其次,传统磁粒研磨平面时采用圆柱磁极,其半径方向线速度的差异会导致材料出现去除量不一致等问题,使用环形磁极进行研磨,对不同长径比环形磁极进行三维静磁场模拟仿真,对比不同长径比的磁感应强度和1 mm处的磁场强度曲线,选取最佳的长径比进行研磨,在一定程度上保证材料的均匀去除;最后,利用ADAMS软件进行单个磨粒运动轨迹的仿真,建立笛卡尔坐标网格划分,利用离散系数C_(v)进行轨迹密度的数值分析,对研磨轨迹均匀性进行评价。结果长径比为3∶4的环形磁极的磁感应强度最大,可达300 mT左右。在相同条件下,分别沿传统直线往复式路径、Hilbert曲线和改进的Hilbert曲线进行仿真,经离散系数C_(v)的评定,沿改进Hilbert曲线的研磨轨迹均匀性显著提高,离散系数C_(v)为0.407,较传统往复式的离散系数提高了约43.2%,较Hilbert曲线路径的离散系数提高了约10.7%。沿改进的Hilbert曲线的9个检测点的表面粗糙度降幅基本一致,降幅曲线平缓。原始表面的加工纹理、缺陷被完全去除,研磨后表面形貌均匀平坦。结论沿改进的Hilbert加工路径进行研磨,研磨轨迹复杂多样,且分布相对均匀,确保了表面材料去除量的均一性,表面质量较好。

关键词：磁粒研磨研磨轨迹 Hilbert分形曲线轨迹均匀性磁场仿真表面形貌

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脉冲电磁场辅助平面磁粒研磨加工试验

表面技术 2022年第2期51卷 313-321页

作者：杨欢陈松张磊徐进文陈燕辽宁科技大学机械工程与自动化学院辽宁鞍山114051

目的在传统的平面磁粒研磨加工中添加脉冲辅助磁场,增大加工区域中磁感应强度和加工时磁感应强度动态变化,丰富磨料粒子在加工时的运动形式,使研磨轨迹复杂化,降低工件表面粗糙度,获得更好的工件表面形貌。方法通过分析磨料粒子在有无... 详细信息

目的在传统的平面磁粒研磨加工中添加脉冲辅助磁场,增大加工区域中磁感应强度和加工时磁感应强度动态变化,丰富磨料粒子在加工时的运动形式,使研磨轨迹复杂化,降低工件表面粗糙度,获得更好的工件表面形貌。方法通过分析磨料粒子在有无辅助磁场时各自的受力情况,探究辅助磁场对磨料在加工时运动状态的影响,研究脉冲辅助磁场下磨料的运动行为机理。利用Ansoft Maxwell软件对电磁铁不同形状的磁极头产生的磁场进行模拟对比,确定理论上最优的磁极头形状。同时模拟对比脉冲电流在不同时刻加工区域内磁感线的分布情况,以及恒定磁场和脉冲磁场下磨料的运动轨迹。通过试验对比无辅助磁场、恒定辅助磁场和脉冲辅助磁场下磁粒研磨加工SUS304不锈钢的表面形貌和表面粗糙度。结果在磁粒研磨加工中,磁性磨料分布受磁感线的影响,在脉冲辅助磁场的作用下加工区域内的磁性磨料会随磁感线的变化而做周期性的往复运动,加工时会有更为复杂的研磨轨迹。模拟3种不同形状的磁极头在加工区域产生的磁感应强度曲线,平面、圆锥面和半球面在中点处的磁感应强度峰值分别为655、636、702 mT。以SUS304不锈钢板作为试验对象,原始表面粗糙度为0.46μm,采用半球形的电磁铁磁极头,在研磨间隙为2 mm、永磁极转速为800 r/min、进给速度为5 mm/s的试验条件下,对比电磁铁不通电、通入0.8 A直流电流、通入1 Hz,占空比50%,峰值电流0.8 A的单向脉冲电流3种辅助磁场分别对工件研磨30 min后的工件表面形貌,无辅助磁场时工件表面仍残留一些原始纹理;恒定辅助磁场下工件表面原始纹理被去除,但表面存在明显圆弧形研磨痕迹;脉冲辅助磁场下工件表面形貌更为光整、平滑。研磨后工件表面粗糙度分别降至0.28、0.13、0.06μm。结论脉冲磁场辅助磁粒研磨在提高加工区域磁感应强度的同时,可使磁性磨料在加工时做周期性运动,研磨轨迹复杂化,促进了磨料的更新,相比传统磁粒研磨和恒定辅助磁场磁粒研磨工艺,脉冲磁场辅助磁粒研磨加工后的工件表面形貌更加平滑,表面粗糙度更低。

关键词：脉冲磁场电磁磁粒研磨 SUS304不锈钢板表面粗糙度表面光整加工

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基于无理数转速比的导磁轴套磁粒研磨试验

表面技术 2022年第12期51卷 269-276页

作者：张祥马小刚韩冰辽宁科技大学机械工程与自动化学院辽宁鞍山114051

目的解决大型导磁类零件内表面的精密研磨加工困难、加工效率低等问题。方法采用旋转磁极方法对内表面进行磁粒研磨。工件由车床主轴驱动旋转,将磁极伸入工件内部,并在电机驱动旋转的同时,随着车床刀架往复进给,驱使磁极与工件内表面之... 详细信息

目的解决大型导磁类零件内表面的精密研磨加工困难、加工效率低等问题。方法采用旋转磁极方法对内表面进行磁粒研磨。工件由车床主轴驱动旋转,将磁极伸入工件内部,并在电机驱动旋转的同时,随着车床刀架往复进给,驱使磁极与工件内表面之间填充的磁性磨粒摩擦工件表面,完成对工件内表面的光整加工。利用ADAMS软件对有理数和无理数转速比下的研磨轨迹进行模拟,讨论不同转速比对研磨轨迹和工件表面质量的影响;采用响应面法将影响研磨的主要工艺参数(工件转速、磁极转速、磁性磨粒粒径)进行优化设计;通过研磨试验分析表面形貌和表面粗糙度数据,验证优化后工艺参数的可靠性。结果采用响应面法分析可知,当工件转速为98 r/min、磁极转速为2435 r/min、磁性磨粒粒径为190μm、磁粒研磨加工时间为40 min时,工件的表面粗糙度从原始Ra 3.32μm降至Ra 0.198μm,表面粗糙度改善率(ΔRa)为94.04%。工件表面划痕、加工纹理等表面缺陷得到了有效去除,加工后工件表面更加光亮、均匀,大幅提高了工件的使用寿命。结论当磁极与工件的转速比为无理数时,其研磨效果最好,研磨轨迹的干涉效果更好,单位面积内的交错次数更多,交织出的网状结构网格更均匀、致密,未加工区域面积更小。采用响应面法能够对试验结果进行优化参数数学建模设计,拟合出的最佳工艺参数组合可提高大型导磁材料轴套类零件的加工效率和表面质量。

关键词：无理数转速比有理数转速比研磨轨迹磁粒研磨响应面法导磁轴套