工业母机—切削技术丨正式出版

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01

Research progress on in-situ measurement technique for dynamic deformation during the cutting process

作者：马凯，刘战强，王兵

单位：山东大学机械工程学院、金属成形高端装备与先进技术全国重点实验室、高效洁净机械制造教育部重点实验室、山东大学机械工程国家级实验教学示范中心、山东大学低空科学与工程学院

摘要：综述了切削过程材料动态变形原位测量技术研究进展，重点围绕直角切削实验平台、切削原位成像系统以及基于图像处理技术的变形场计算三方面展开。首先，总结了不同类型直角切削实验平台的搭建思路及其在切削机理研究和切削变形原位观测方面的优势。其次，分析了单光路和双光路原位成像系统的组成结构，归纳了原位成像系统在切削区动态变形与切屑形成过程中的应用特点。最后，梳理了基于图像处理的变形区多物理场计算方法，探讨了切削变形区运动学场和热-力学场同步测量的研究进展。综述表明，切削原位测量技术有助于推动由宏观结果分析向微观机制解析演进的切削机理研究模式转变，为揭示切削去除过程材料塑性变形、局部失稳和断裂机制提供了重要数据支撑。未来，该研究领域将在高时空分辨、多物理场同步测量与智能图像分析等方向持续发展。

基金：国家自然科学基金重大研究计划项目（92360311）；国家自然科学基金联合基金项目（U24B2057）；国家自然科学基金项目（52522509）；国家重点研发计划项目（2025YFE0203200）

02

On-machine measurement for ultra-precision single-point turning of large-aperture micro-optical elements based on white-light interferometry

作者：张哲，吴金池，刘嘉宇，苏榕，张鑫泉，任明俊，朱利民

单位：上海交通大学机械与动力工程学院、中国科学院上海光学精密机械研究所

摘要：大口径微光学元件在半导体光刻、天文学等领域至关重要，其制造精度极高，需采用精密表面形貌检测手段。白光干涉仪是当前最精确的三维表面形貌测量技术之一，其测量噪声可小于 0.1 nm。然而，传统离线测量不仅效率低，还会引入重复装夹误差，影响最终加工精度。研制了一种可直接集成于五轴超精密车床的在机白光干涉测量系统，可实现对大口径微结构光学元件的在机高精度测量。该系统在实现小型化的同时，其测量噪声和平面度等性能指标与商用白光干涉仪相当。此外，通过建立在机测量运动学模型并结合工件CAD模型进行测量对准，在机白光干涉仪系统成功实现了大口径微结构光学元件光栅结构与中频粗糙度的全口径测量，在保证测量精度的同时大幅提升了测量效率，可为大口径微结构光学元件等高端光学元件的制造提供实时、高精度的形貌检测手段。

基金：国家自然科学基金联合基金项目“全驱动链感知反馈的跨尺度超精密加工快速刀具伺服基础技术研究”（U22A20207）

03

Construction and application verification of dual-robot collaborative machining system for thin-walled cylinder parts with slender ratio

作者：曹彦生，孔玲怡，郑联语，李鹏程，李锋，周三合

单位：北京新风航天装备有限公司、北京航空航天大学机械工程及自动化学院、南京航空航天大学机电学院

摘要：针对细长比薄壁筒类构件制造工艺复杂、质量波动大、制造周期长等问题，提出了面向细长比薄壁筒件的双机器人协同加工系统及方法，建立了细长比薄壁筒类构件的全新生产模式，突破细长比筒类构件制造工艺瓶颈，形成自主可控加工系统。采用三维激光扫描装置获取筒件点云数据，建立全局坐标系标定筒件与机器人位姿关系，代替传统数控加工的划线找正工作，并基于自动化扫描测量结果对筒件余量进行求解；通过双机协同加工特点的颤振机理，规划合理的铣削工艺参数，并针对机器人结构特点，规划机器人加工轨迹；最后，通过对某筒体试验件进行双机器人协同加工实验，验证了所提方法的有效性和优越性。结果表明，双机协同加工方法提高筒件生产效率40%以上。

基金：国防基础科研一般项目（JCKY2021204B045）

04

Experimental setup and procedure for micro-force servo machining using micron-scale forming tools

作者：王继强，邓天宇，闫永达，耿延泉

单位：哈尔滨工业大学机电工程学院

摘要：为解决当前纳米刻划加工中存在的效率偏低、结构重复性差等瓶颈，构建了一套集成微力伺服刀架的面向亚微米尺度结构制造的专用实验装置。选用具有正弦轮廓特征的结构化刀具，分别开展恒定法向载荷与变化载荷两种模式下的刻划实验。重点探究法向载荷与实际刻划深度之间的映射规律，并对比分析不同加载策略对材料去除行为的影响。在此基础上，实现了大面积三维正弦亚微米结构阵列的制备；进一步将该工艺拓展至曲面加工，在微球表面完成了三维正弦沟槽结构精密加工。研究结果为三维纳米结构高效加工提供了新的技术方案。

基金：国家自然科学基金项目“基于结构化刀具的跨尺度三维纳米结构表面加工基础理论与方法” （52035004）

05

Research progress in five-axis CNC milling for productivity improvement

作者：秦学斌，万敏，李登辉

单位：西北工业大学机电学院

摘要：五轴数控铣削技术是航空航天领域关键零部件的核心制造技术，随着行业的快速发展，五轴数控铣削技术的效率提升逐渐成为相关零部件制造任务的迫切需求。针对五轴数控加工轨迹长度与进给速度两大效率提升的关键指标，考虑颤振、材料去除率、机床驱动轴能力等相关约束，从参数选取、轨迹优化与速度规划三个方面，阐述相关技术的难点与核心问题以及相应的解决方法，为实现五轴数控轨迹的高性能加工提供解决思路与方法参考。

06

Online unsupervised tool wear monitoring and application via deep clustering of time series samples

作者：刘德霖，刘战强，王兵，赵金富，江爱胜

单位：山东大学机械工程学院、山东大学金属成形高端装备与先进技术全国重点实验室、高效洁净机械制造教育部重点实验室（山东大学）、山东大学低空科学与工程学院、株洲钻石切削刀具股份有限公司

摘要：刀具状态监测是实现高质高效智能加工的关键技术。然而，由于切削过程产生的未标签时间序列信号难以精确标注，导致无监督刀具状态监测难度大。文章提出基于深度特征融合与时序聚类的无监督刀具状态监测方法，利用样本与聚类中心之间的时间间隔，设计了时间相关的惩罚因子和时间跨度平衡系数，以增强聚类结果的时间序列特征，提出了时序增强的模糊C均值（time-dependent enhanced fuzzy C-means, TEFCM）聚类算法，构建了无监督刀具状态监测框架。通过高温合金铣削实验验证了所提方法的有效性和泛化能力。与已有聚类方法和分类算法相比，本研究提出的方法可将刀具磨损状态自标签及磨损状态预测准确率分别提高24.55和15.33个百分点，且具备不同工况的应用泛化能力，为切削过程刀具磨损无监督状态监测提供了解决方案。

07

Study on cutting deformation of thin-walled TC4 titanium alloy components based on adhesion and retention at the ice interface

作者：张昊，曾令旗，成连祺，刘天然，刘海波，王永青

单位：大连理工大学机械工程学院、高性能精密制造全国重点实验室、智能制造龙城实验室

摘要：复杂薄壁结构件在装夹过程中会因其弱刚性而产生装夹变形，而机械加工过程中机械-热载荷耦合作用下产生的加工残余应力在解除装夹约束后，会通过应力的重平衡引发宏观结构变形，导致精度超差影响产品质量。为此，提出一种液氮冷却与冰装夹协同的复合加工策略，以同步减小装夹变形和残余应力释放变形。采用正弦衰减函数对铣削残余应力分布进行参数化表征，基于弹性理论建立了钛合金薄板铣削弯曲变形的解析解；基于焓-孔隙率方法建立了水相变传热与力学耦合的数值模型，获取了水冰冻固持薄壁件的装夹的低应力分布状态；为分析低温加工应力分布规律，结合材料低温本构、刀-工件接触关系等建立了低温铣削薄板的三维切削有限元模型；开展了钛合金薄板的铣削实验，分析了切削过程中的铣削力/热大小，结果表明，相较于传统装夹方式，冰固持装夹使工件装夹变形减小了52.6%，装夹应力降低了36.4%，使加工区域内装夹应力几乎为零应力状态。在液氮冷却条件下进行的冰固持低温铣削实验，其进给方向与法向切削力峰值相比常规加工分别提高了46.82% 和56.98%，而铣削温度则降低了50.8%。加工后工件表面应力状态均由拉应力转变为压应力，且压应力影响层更深；与干切削相比，加工变形减小了23.2%。

基金：长江学者奖励计划项目（TE2022037）；长江学者奖励计划项目（Q2021053）；辽宁省科技重大专项项目“高端数控机床关键技术与应用”（2025JH1/11700002）；大连市科技创新基金项目“超低温冷却加工中心研制关键技术”（2023JJ11CG003）

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A multi-degree-of-freedom nozzle position and orientation control method for system integration of CNC machine tools

作者：龚俊杰，赵威，邓婷，李敬，李亮，赵国龙

单位：南京航空航天大学机电学院

摘要：针对外喷式冷却润滑与时变刀位间的协同调控难题，设计了一种可与数控机床系统集成的多自由度喷嘴位姿调控机构，提出了一种根据刀具位置变化动态调整喷嘴位姿的方法，即通过解析NC（numerical control）程序获取刀具实时位置信息，结合PMC（programmable machine controller）程序的编写，将数控机床Y信号输出至外部PLC（programmable logic controller），进而在切削过程中实现喷嘴对切削区的最佳喷射位姿调控，此种方法无需上位机控制、响应速度快且无需外置传感器。在此基础上，以GH4169高温合金典型结构件的微量润滑（minimum quantity lubrication，MQL）铣削为对象，对系统集成效果进行了测试，结果表明，单喷嘴工况下，固定入射角相比不固定入射角下的切削力最大可降低11.01%、表面粗糙度最大可降低9.35%；双喷嘴工况下，固定入射角相比不固定入射角下的切削力最大可降低6.91%、表面粗糙度最大可降低5.94%。验证了喷嘴位姿调控在保证冷却润滑介质精准输送、提升加工性能方面的有效性。

基金：国家自然科学基金项目（52475468）

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Experimental setup and procedure for micro-force servo machining using micron-scale forming tools

作者：泥旭琳，王兵，刘战强，李鸿路，解振威，俞兆亮

单位：山东大学机械工程学院、高效洁净机械制造教育部重点实验室（山东大学） 、山东省高性能工具与系统重点实验室、山东大学低空科学与工程学院

摘要：针对超精密切削加工过程中，工件材料去除行为受加工表面弹性回复与刀具刃口结构共同影响，导致切削区域弹塑性变形复杂、切削力预测难度大等问题。文章提出考虑加工表面回弹与刀具刃口影响的超精密切削力预测方法，建立了工件材料回弹效应形成的刀工接触面积计算模型，分析了切削变形摩擦角随切削速度的变化规律，探明了超精密切削表面回弹与刃口几何对切削力的影响机制；基于剪切平面力平衡方程构建了切削力解析预测模型，并通过不同加工参数下的微槽结构超精密车削实验验证了切削力模型的可靠性。研究结果表明，所建立的切削力预测模型平均相对误差为5.9%，最大预测误差为10.8%，本研究可为超精密切削力解析预测及工艺参数优选提供理论支撑。

基金：国家重点研发计划项目（2025YFE0203200）；国家自然科学基金资助项目（52522509）；国家自然科学基金资助项目（52175420）；山东省自然基金重大基础研究项目（ZR2024ZD43）

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