Experimental study on rotary ultrasonic vibration assisted drilling rock

Traditional rotary ultrasonic vibration drilling rock (f_z < 2A) is an effective drilling rock method, but its feed rate is limited by the ultrasonic vibration amplitude, resulting in lower drilling efficiency. In this paper, based on the requirements of drilling efficiency in the asteroid sampling mission, the process method of rotary ultrasonic vibration assisted drilling rock (f_z > 2A) was proposed. The mechanism of ultrasonic vibration assisted drilling rock was analyzed, and the propagation of ultrasonic energy in the process of ultrasonic vibration assisted drilling rock was analyzed. Using the small diameter cemented carbide triangular bit as the drilling tool, the comparative test of ultrasonic vibration assisted drilling and traditional drilling of sandstone, marble, and basalt was carried out. The experimental results showed that there was a specific feed rate range for each type of rock, so that the weight on bit required for ultrasonic vibration assisted drilling was less than that of traditional drilling. With the increase of firmness coefficient of sandstone, marble, and basalt, the ratio of weight on bit to feed rate was increased, and the effective feed rate range of ultrasonic vibration assisted drilling was reduced. The ultrasonic vibration assisted drilling rock (f_z > 2A) was one of the alternative methods for drilling rock on the asteroid surface.     

机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件毛刺特性

针对铝合金叠层构件机器人制孔容易产生钻削毛刺，严重影响飞机装配精度和效率等问题，提出基于弱刚度环境下机器人旋转超声制孔毛刺高度的计算方法。首先，通过实验验证了高频的振动冲击对毛刺高度的影响规律，建立了机器人旋转超声钻削铝合金叠层构件的钻削力经验公式。然后，结合经典薄板弯曲理论和能量法，分析了超声振动及钻削位置刚性对机器人钻削铝合金叠层板毛刺形成的影响机制。实验结果显示:所提计算方法的相对误差在13%以内，具有较高的精度。      

钛合金超声振动钻削工艺特性仿真及试验研究

针对钛合金传统钻削中存在的切削力大、切削温度高和加工质量差等问题,研究了钛合金超声振动钻削工艺特性。首先,通过超声振动钻削的运动方程,分析了其断续切削和高速切削的特性;然后,利用Deform-3D对钛合金超声振动力钻削的轴向力、扭矩和切削温度进行了仿真,并通过超声振动钻削试验研究了轴向力、扭矩和出口毛刺相对传统钻削的变化。结果表明:钛合金超声振动钻削可以降低平均轴向力约20%,降低平均扭矩约40%,降低平均切削温度50%以上,钛合金超声加工孔的加工质量明显优于传统加工。钛合金超声纵扭复合振动钻削相比超声一维纵振钻削可以进一步降低钻削轴向力、扭矩和切削温度,体现出更好的钻削工艺特性。      

电火花穿孔加工中管状电极振动幅值特性

在采用管状电极高压冲液的电火花穿孔加工中,较大幅值的电极随机振动将导致加工中侧壁短路和二次放电,这对穿孔加工精度和效率造成不利影响。本文以高压冲液管状电极为研究对象,采用仿真、实验验证及对比分析的方法研究了电极微观振动幅值特性。基于ANSYS有限元软件平台,建立了描述电极振动特性的有限元模型,通过数值模拟分析了冲液压力、导向器间隙、穿孔深度、放电间隙、主轴转速、电极悬长多因素对电极振动幅值的影响,分析了多因素耦合情况下各因素对电极振动幅值的影响程度,并进一步进行了实验验证。研究表明导向器间隙、穿孔深度、冲液压力与电极振动幅值成正相关性,减小导向器间隙由10 μm至1 μm,可有效降低孔径误差20 μm。多因素耦合分析得到电极振动幅值影响因素主次顺序为:穿孔深度、冲液压力、放电间隙、主轴转速、电极悬长。此项研究为优化电火花穿孔加工工艺与主轴设计提供依据。      

一种基于悬臂梁结构的动态推力测量方法

为实现星载微推进器性能评价中的动态推力测量,基于悬臂梁动力学模型,建立了测量系统的传递函数,分析了系统的输入输出特性,根据悬臂梁响应速度快（振动频率高）、动态分量在较小时间区间内接近等幅振荡（阻尼比小）以及高阶振动可视为基频振动噪声的特性,提出了求解稳态位移的末端均值法。该方法通过消除位移响应中的动态分量,得到了误差带较大时的稳态位移时变值,实现了动态推力测量。依据系统稳态位移与推力为线性关系、线性系数为系统增益值这一特性,提出了参数标定方法。搭建了试验平台,标定得到系统响应时间为156ms,通过对比扭摆系统测量结果,悬臂梁测量得到的冲击力与实际推力相对误差为4.064%,结合冲击力本身的测量误差1.383%,最终得到推力测量误差为4.293%。     

一种正负刚度并联低频隔振器的刚度和动力学特性分析

随着航空航天领域机械结构的大型化、柔性化发展,减振隔振愈发重要。设计了一种具有非线性刚度和非线性阻尼的正负刚度并联的低频隔振器,其负刚度特性和正刚度特性分别由两组倾斜弹簧和一根竖直弹簧实现;研究了隔振器的高静刚度低动刚度特性和阻尼特性,并对其隔振带宽进行分析,比较了分别由两组斜弹簧和一组斜弹簧实现负刚度的两种隔振器的刚度特性;利用谐波平衡法求解隔振器动力学响应,推导了隔振器振幅放大系数和振动传递率的表达式;通过数值仿真对比验证了谐波平衡法求解的系统响应的正确性,详细研究了所设计的正负刚度并联隔振器的刚度,阻尼及激励幅值等因素对振幅放大系数和振动传递率的影响     

CFRP旋转超声辅助钻削的缺陷抑制 机理及实验研究

针对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在普通切削（CD）过程中因切削力及扭矩较大而产生的分层撕裂、孔壁纤维损失等缺陷,采用了旋转超声辅助钻削（RUAD）制孔方法。首先,分析了CFRP CD的孔缺陷类型及产生机理,并结合超声振动加工的特性,给出了RUAD的孔缺陷抑制机理。然后,搭建了包含非接触式感应供电旋转超声振动系统、立式加工中心和测力系统的实验平台。最后,在相同的工艺参数下,对比了CD和RUAD两种工艺下的切削力和扭矩、孔缺陷及孔壁质量。实验结果表明:相对CD,RUAD的切削力和扭矩分别降低41.46%~46.32%和41.61%~48.94%,且CFRP孔出入口及孔壁分层撕裂、纤维损失等缺陷得到了有效抑制,极大地改善了CFRP的钻孔质量。实验结果有效地验证了CFRP钻孔缺陷产生机理及超声振动抑制机理的正确性,RUAD可以用于CFRP低损伤制孔。      

Study the influence of anchoring parameters on asteroid drilling anchoring with discrete element simulation

Asteroid exploration has become a research hotspot, and anchoring probes to asteroids is essential for in situ scientific detections. The influence of ultrasonic drilling force-closure anchoring parameters on the anchoring performance and its influence mechanism are studied based on discrete element simulation. An anchoring simulation model is established after calibrating virtual asteroid soil, and its validity is verified by anchoring experiments. Discrete element simulations are performed to study the effect of cross-sectional shape and longitudinal cross-sectional shape of anchoring rods on anchoring force. The internal influence mechanism of anchor configurations on the anchoring force is analyzed by extracting the number of stressed particles in the simulation area. The anchoring force has a positive correlation with the cross-sectional area. The rotation of non-circular anchors causes fluctuations in the anchoring force. The effect of the anchored material strength on the anchoring force is studied with the calibrated virtual asteroid soil. The relationship between anchoring force and anchoring parameters is studied, and the optimal anchoring angle is 54° for anchored material strength of 100 kPa. Finally, the variation of the anchoring force with the direction of external force is studied. This work can guide the anchor configuration design and the anchoring condition parameter optimization.     

CMG中角接触球轴承在随机振动下的安全性分析

研究CMG中角接触球轴承在随机振动下的安全性。推导轴承在轴向力和径向力联合作用下的轴向刚度和径向刚度,建立轴承的等效线性弹簧模型,并利用ANSYS的谱分析迭代求取轴承在随机振动下的轴向力和径向力,将径向当量静载荷和轴向载荷分别与径向基本额度静载荷和极限轴向载荷比较,分析其安全性。以某种角接触球轴承为例,验证了其在给定输入功率谱密度下任意方向加载都安全。     

CFRP超声振动套磨钻孔高效排屑机理和实验

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）在普通套磨钻孔（CCD）过程中,切屑粉尘粘刀和料芯堵刀导致的排屑效果较差而影响套磨加工效率和加工质量的问题,采用超声振动套磨钻孔（UVCD）新技术进行了CFRP高效套磨钻孔的基础理论和实验研究。从理论上分析了CFRP超声振动套磨钻孔原理和高效排屑机理,同时结合所设计的超声振动气钻和车床平台实验验证了CFRP超声振动套磨钻孔的高效排屑钻孔效果。结果表明:相比于CFRP普通套磨钻孔,超声振动套磨钻孔极大提高了切屑粉尘和料芯的排屑效果,有效防止了切屑粉尘粘刀和料芯堵刀现象,明显降低了12%~20%的钻削力、16%~24%的切削温度和33%~39%的孔表面粗糙度,明显改善了CFRP孔加工质量并且延长了套磨刀具使用寿命。      

高速转子连接结构刚度损失及振动特性

高负荷航空发动机转子的转速和支点跨度不断加大,使得转子弯曲刚度下降,并在工作中具有一定弯曲变形。转子弯曲变形时,连接界面会存在刚度损失,需考虑转子弯曲变形对连接界面刚度特性及转子系统振动特性的影响。提出了定量描述连接界面刚度损失的力学模型,并针对非连续转子系统的动力学设计,提出了基于应变能分布优化的连接结构刚度损失抑制方法。数值仿真结果表明:转子弯曲变形下,连接界面刚度损失显著,会使转子弯曲临界转速大幅降低;通过转子应变能分布优化设计可有效降低连接界面刚度损失对转子系统振动特性的影响,对转子系统振动特性优化设计具有重要的指导意义。      

高温合金微量润滑振动钻削温度与刀具磨损

为了解决高温合金钻削温度高、刀具磨损快的问题,采用微量润滑的振动钻削加工方法,从换热机制角度对振动钻削的降温机理进行分析,并进行振动钻削和普通钻削对比实验.结果表明:微量润滑普通钻削的最高测量温度达到了110℃且温度随钻削深度、钻孔个数的增加而升高,而振动钻削的测量温度为55℃左右且随削深度、钻孔个数的增加增长缓慢;普通钻削刀具磨损量达到0.5 mm且随钻孔个数的增加磨损加剧,振动钻削刀具磨损量只有0.22 mm且磨损量增加缓慢.     

钛合金旋转超声辅助钻削的出口毛刺

针对航空航天领域钛合金难加工材料采用普通麻花钻传统钻削过程中孔出口毛刺大、导致去毛刺困难及影响紧固件装配质量的问题,提出了一种基于新刃型刀具(八面钻)的钛合金旋转超声辅助钻削(RUAD)的新技术。分析了RUAD原理,采用文中所设计的RUAD主轴结合CA6140车床平台、测力系统、测温系统、高速摄影系统以及非接触激光测量系统进行了钛合金RUAD制孔试验和孔出口毛刺研究,对比普通钻削(CD)分析了RUAD降低孔出口毛刺的机理,并建立了基于八面钻的CD和RUAD的毛刺形成模型。试验结果表明:相比于CD,RUAD明显降低钻削力、孔出口最高切削温度和毛刺高度,分别降低了16.79%~20.2%,18.54%~21.68%和82.27%~89.18%,极大降低了钛合金孔出口去毛刺的困难和制造成本,提高了生产进度。     

考虑壁板单向压紧制孔瞬时回弹的压紧力优化

飞机大部件对接自动化制孔采用蒙皮侧单向压紧制孔技术，而由于在常见的自动化制孔系统中叠层材料被钻透的瞬间产生瞬时回弹，对制孔设备和加工质量等方面造成严重的影响，针对该问题进行机身蒙皮侧制孔压紧力优化分析。通过有限元分析方法进行制孔过程的模拟仿真，根据不同环境下的回弹现象，确定压紧力优化分析方案，综合考虑接触间隙、瞬时回弹和制孔刚性的影响，进行多目标优化分析，从而得到最优的压紧力工艺参数。计算结果表明，在飞机常见框间对接段自动化钻孔中，采用轴向力为150 N的麻花钻时压紧力的最优解为314.54 N，采用轴向力为100 N的自动化一体钻时压紧力的最优解为362.73 N。通过现场试验，压紧力最优解满足生产要求，实际最优压紧力低于最优解不超过20 N，因此考虑不同加工环境等因素构建合理的工艺参数选定范围。      

全柔性空间机器人基于虚拟力的输出反馈有限维重复学习控制及振动抑制

探讨了基座、关节、臂均存在柔性情况下,空间机器人关节轨迹运动及多重柔性振动的主动控制和主动抑制问题.结合线性弹簧、扭转弹簧、简支梁及假设模态法,利用拉格朗日方程建立了基座、关节、臂全柔性影响下的空间机器人系统动力学模型,利用奇异摄动法,将模型分解为关节运动慢变子系统与关节柔性振动快变子系统.为控制慢变子系统中载体姿态、关节刚性运动并且抑制臂的柔性振动,依据虚拟控制力的概念,设计了基于有限维傅里叶级数解析周期信号的输出反馈重复学习算法.李雅普诺夫直接法证实了上述控制器的稳定性.为了抑制快变子系统中基座和关节的柔性振动,分别采用线性二次最优控制方法以及引入关节柔性补偿器间接增大关节等效刚度的方式,使控制算法不局限于求解弱非线性问题.系统数值仿真结果表明,所提出的控制器能够有效抑制机器人多重柔性构件的振动,实现对期望信号的高品质追踪.      

宽带振动抑制用液电混合作动器技术

针对宽频带振动隔离的需求,提出了一种液压阻尼-弹簧-音圈电机串联的减振混合作动技术,实现了在0.1-500Hz较宽频带内振动隔离的方法。在结构设计的基础上,建立了液电混合作动的数学模型,对模型的各个参数进行了分析。用实际尺寸的结构有限元模型进行了电磁仿真验证,证明了电磁推力的符合性。使用样机进行了实际的输出力特性测试、位移跟踪测试和频率特性测试。测试结果表明：该作动技术可以实现0.5Hz频率的有效输出力跟踪和位移跟踪。     

基础振动诱发的流体-管道轴向耦合振动特性

针对轴向基础振动对管道和流体波动的影响,运用轴向基础振动下液压直管道轴向耦合振动数学模型,推导了4种不同管端约束方式下的边界条件,并采用特征线法对不同约束方式下基础振动诱发的管内流体波动进行了研究,分析了管端约束方式、约束刚度、基础振动参数、结构参数对管道出口压力波动幅值的影响。结果表明:与两端固定约束相比,出口轴向自由和入口轴向自由时出口流体压力波动幅值分别增大了很多,且出口处约束刚度越大,压力波动幅值越小;基础振动频率越大,流固耦合作用越剧烈;压力波动幅值随基础振动幅值增大而线性增大;流体流经管道的距离越长,流体波动越剧烈。分析结果能为制定相应的管道振动控制策略提供理论依据。      

挠性支承对飞轮隔振系统性能的影响分析

飞轮的高速转子在运转过程中会激发微幅多频振动,对航天器的高精度姿态稳定控制产生不利影响.本文基于飞轮隔振系统结构,建立其动力学模型,并通过实验验证该被动隔振装置的固有模态.对增加挠性支承的飞轮隔振系统的数学模型,通过仿真分析隔振装置在挠性支承条件下对飞轮扰动的抑制效果,实验测试了不同挠性支承条件对飞轮隔振系统微振动特性的影响.结果表明,隔振装置在悬臂挠性支承条件下依然具有优异的隔振性能,挠性支承刚度的适当减弱有利于飞轮隔振系统抑制扰动;挠性支承刚度会降低飞轮隔振系统的二阶结构固有振动频率,但基本不影响其涡动特性.