CN106312490B - 一种表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种能够有效表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，耦合了带阻滤波方法和分形维数概念中的尺码法，利用带阻滤波能有效降低切削刀痕信号干扰、突出晶界浮凸信息，而分形维数概念中尺码法又能有效表示表面轮廓的曲折程度，本发明解决了当超精密切削无氧铜表面同时存在加工刀痕与晶界浮凸信息时，传统的粗糙度测量无法区分其差异的问题，能够有效识别晶界浮凸特点，定量地反映微观尺度下超精加工表面的形貌特征信息。

Description

一种表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法
技术领域
本发明属于超精密切削技术领域，特别是涉及到一种表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法。
背景技术
超精密切削技术通常是利用超精密机床和单点金刚石刀具对材料进行加工，不同于传统切削，在单点金刚石切削过程中，由于切削深度极小，可以被视为是具有一定刃口半径的钝圆刀具切削过程，因此通常加工后表面质量高，表面粗糙度可达几十纳米甚至几纳米，加工表面容易达到镜面效果；另一方面，在单点金刚石切削过程中，切削深度一般为微米级，切削过程基本上在材料微观组织内部进行，从微观组织角度来看，工件材料通常被视为是由离散的微观组织所组成的，将会进一步引起切削力的波动并影响最终已加工表面形貌的生成，容易产生特征微观形貌。
计算表面粗糙度是对表面形貌进行表征的一种传统方法，实验表明，单点金刚石切削表面粗糙度容易达到纳米级，当粗糙度相同的情况下，加工表面之间仍会表现出迥然不同的微观形貌，例如刀痕、微小划痕、表面浮凸等。特别地，对于塑性较好的材料，表面晶界处易产生浮凸现象，晶界的浮凸高度一般为纳米级，因此当表面粗糙度同为纳米级时，仅仅用粗糙度的方法将无法有效地表征表面微观形貌特征。
如图1所示，当使用单点金刚石切削无氧铜时，根据切削参数的不同会得到三种不同的表面，三种表面分别表现为：图1(a)既含有浅刀痕又含有晶界浮凸现象，其横截面轮廓线如图2、图1(b)只含有浅刀痕、图1(c)只含有深刀痕；其中能出现晶界浮凸现象的切削参数一般为：主轴转速1000～1200r/min，切深1～5um，进给速度1～2mm/min；三个表面的粗糙度分别为11.0nm、10.9nm、40.5nm。图1(a)与图1(b)表面粗糙度十分接近，但两个表面中只有图1(a)表面存在明显的晶界浮凸，因此用粗糙度无法有效表征晶界浮凸现象。
发明内容
针对上述问题，本发明公开一种能够有效表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，能够有效识别晶界浮凸特点，定量地反映微观尺度下超精加工表面的形貌特征信息，解决了当超精密切削表面同时存在加工刀痕与晶界浮凸信息时，传统的粗糙度测量无法区分其差异的问题。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：一种表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，在超精密切削表面上截取轮廓线，在获取到的横截面轮廓曲线图上，使用尺码法计算分形维数，来区分超精密加工后表面是刀痕还是晶界浮凸。
进一步的，所述尺码法步骤为：
(101)选定尺码以分规方式沿着轮廓曲线测量，保持尺码分规两端的落点始终在轮廓曲线上，如此测量全部曲线后，所得曲线长度就是选定尺码与分规度量步数之积；
(102)选择n个尺码ri(i＝1，2，…，n)测量表面轮廓曲线，每个尺码测得的曲线长度为Li，得到一组数据[r1 L1]，[r2 L2]，…，[rn Ln]；
(103)在双对数坐标中以最小二乘法原理进行尺码和曲线长度两参数的直线回归，根据回归直线的斜率得到轮廓曲线的维数值。
进一步的，所述尺码法耦合带阻滤波方法，先利用带阻滤波有效降低切削刀痕信号干扰、突出晶界浮凸信息；滤波后再计算分形维数。
更进一步的，所述带阻滤波的方法为：
(201)根据切削参数设定截止频率范围，选择截止频率对横截面轮廓曲线的信息进行滤波；
(202)判断滤波后刀痕信息是否减弱，未减弱则返回步骤(201)，减弱则滤波结束。
再进一步的，所述截止频率的设定方法为：
(301)根据主轴转速和刀具进给速度，计算刀痕的理论间距；
(302)根据刀痕的理论间距和刀具进给速度，计算刀痕的理论周期；
(303)根据刀痕的理论周期得到刀痕的固有频率；
(304)考虑实际加工过程引入的干扰，将截止频率范围扩大为刀痕的固有频率的5倍。
更优选的，在截止频率范围内进行3次带阻滤波。
更进一步的，所述带阻滤波通过LabVIEW程序实现。
相对于现有技术，本发明所述的表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，具有以下优势：本发明解决了当超精密切削材料表面同时存在加工刀痕与晶界浮凸信息时，传统的粗糙度测量无法区分其差异的问题。本发明耦合了带阻滤波方法和分形维数概念中的尺码法。利用带阻滤波能有效降低切削刀痕信号干扰、突出晶界浮凸信息，而分形维数概念中尺码法又能有效表示表面轮廓的曲折程度，本发明能够有效识别晶界浮凸特点，定量地反映微观尺度下超精加工表面的形貌特征信息。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为超精密切削得到的三种表面。
图2为横截面轮廓曲线图。
图3为尺码法测量原理图。
图4为尺码法直线回归图。
图5为滤波流程图。
图6为三种表面横截面轮廓滤波前后信号图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
当使用单点金刚石切削无氧铜时，根据切削参数的不同会得到三种不同的表面，如图1所示，三种表面分别表现为：图1(a)既含有浅刀痕又含有晶界浮凸现象，其横截面轮廓线如图2、图1(b)只含有浅刀痕、图1(c)只含有深刀痕；其中能出现晶界浮凸现象的切削参数一般为：主轴转速1000～1200r/min，切深1～5um，进给速度1～2mm/min；三个表面的粗糙度分别为11.0nm、10.9nm、40.5nm。图1(a)与图1(b)表面粗糙度十分接近，但两个表面中只有图1(a)表面存在明显的晶界浮凸，因此用粗糙度无法有效表征晶界浮凸现象。
本发明的目的是当超精密切削表面出现刀痕与晶界浮凸现象时，粗糙度无法区别两者差异的问题。
如图2所示，在超精密切削表面上截取轮廓线，获取到横截面轮廓曲线图，选定尺码以分规方式沿着轮廓曲线测量，保持尺码分规两端的落点始终在轮廓曲线上，如图3所示，如此测量全部曲线后，所得曲线长度就是选定尺码与分规度量步数之积。选择n个尺码ri(i＝1，2，…，n)测量表面轮廓曲线，每个尺码测得的曲线长度为Li，因此得到一组数据[r1L1]，[r2 L2]，…，[rn Ln]。在双对数坐标中以最小二乘法原理进行尺码和曲线长度两参数的直线回归，根据回归直线的斜率就可以得到轮廓曲线的维数值，如图4所示。轮廓曲线的分形维数是D＝1-K，1<D<2，其中K是回归直线的斜率。
根据尺码法的定义，计算图3晶界浮凸模型的分形维数，直线回归斜率为-0.218，因此分形维数值为1.218。
观察切削表面，发现刀痕的信息呈纵向规律性分布，但由于刀痕高度与晶界浮凸的高度均在纳米级，因此晶界浮凸的表征容易受到刀痕的影响。刀痕信息与切削参数有关，理论上刀痕的固有频率范围较窄，而晶界浮凸的信息较复杂，频带较宽，因此进行适当的带阻滤波，可减弱刀痕，从而尽可能地突出晶界浮凸的信息。同时考虑实际切削过程中***和随机振动的存在，刀痕频带也会变得复杂，为此进行多次带阻滤波，一般3次滤波便能找到良好的滤波效果，再进行维数的计算，使计算结果更能反应晶界浮凸的分形维数值。滤波流程图如图5所示。
其中，滤波截止频率取决于切削参数。刀痕的理论间距、刀痕的理论周期和固有频率分别为：
式(1)中λ为相邻刀痕的间距，Vs为主轴转速，Vf为刀具进给速度。以一组能产生晶界浮凸的切削参数为例：主轴转速1200r/min，切深1um，进给速度2mm/min，可以得到刀痕频率为20Hz，考虑到机床内部和外界的振动等干扰信息，因此实际滤波过程将截止频率范围扩大5倍，即滤波频带范围扩大到1Hz～100Hz范围内，在此范围内划分频段进行3次带阻滤波。
基于LabVIEW软件编程，设计对横截面轮廓的带阻滤波程序，在三种切削表面上截取轮廓线，使得其粗糙度分别等于所在平面的粗糙度，滤波效果如图6和表1、表2所示，发现晶界浮凸信号相对突显，滤波后浅刀痕与深刀痕的信号均减弱了，整个轮廓变得更平坦光滑。
表1滤波结果数据
表2轮廓分形维数计算结果
综上所述，粗糙度相近的两个表面，即一个有晶界浮凸，一个有浅刀痕，使用本发明专利的方法，经过滤波后计算得到的分形维数，前者大，后者小，且差别比粗糙度的差别更容易区分。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，其特征在于，在超精密切削表面上截取轮廓线，在获取到的横截面轮廓曲线图上，使用尺码法计算分形维数，来区分超精密加工后表面是刀痕还是晶界浮凸；
所述尺码法耦合带阻滤波方法，先利用带阻滤波有效降低切削刀痕信号干扰、突出晶界浮凸信息；滤波后再计算分形维数；
所述带阻滤波的方法为：
(201)根据切削参数设定截止频率范围，选择截止频率对横截面轮廓曲线的信息进行滤波；
(202)判断滤波后刀痕信息是否减弱，未减弱则返回步骤(201)，减弱则滤波结束；
所述截止频率的设定方法为：
(301)根据主轴转速和刀具进给速度，计算刀痕的理论间距；
(302)根据刀痕的理论间距和刀具进给速度，计算刀痕的理论周期；
(303)根据刀痕的理论周期得到刀痕的固有频率；
(304)考虑实际加工过程引入的干扰，将截止频率范围扩大为刀痕的固有频率的5倍。
2.根据权利要求1所述的一种表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，其特征在于，所述尺码法步骤为：
(101)选定尺码以分规方式沿着轮廓曲线测量，保持尺码分规两端的落点始终在轮廓曲线上，如此测量全部曲线后，所得曲线长度就是选定尺码与分规度量步数之积；
(102)选择n个尺码ri(i＝1，2，…，n)测量表面轮廓曲线，每个尺码测得的曲线长度为Li，得到一组数据[r1 L1]，[r2 L2]，…，[rn Ln]；
(103)在双对数坐标中以最小二乘法原理进行尺码和曲线长度两参数的直线回归，根据回归直线的斜率得到轮廓曲线的维数值。
3.根据权利要求1所述的一种表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，其特征在于，在截止频率范围内进行3次带阻滤波。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，其特征在于，所述带阻滤波通过LabVIEW程序实现。
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