CN110849928B - 一种超声滚压加工温度测量分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声滚压加工温度测量分析方法，涉及工程材料表面强化技术领域，通过在工件表面附近安装热电偶温度测量装置，在超声滚压加工过程中，实时采集滚压刀具与工件表面间产生的温度信号，然后运用混沌理论对温度信号进行非线性动力学分析，揭示某一特定工艺参数下加工过程中产生的温度信号的动力学特性及演化规律，分析温度信号与工艺参数间的相关性，进而优化超声滚压加工工艺参数，提高材料力学性能。本发明从动力学角度分析工艺参数对材料力学性能的影响，避免了加工后一系列工件表面的力学性能测试与分析，不仅节省了大量测试时间与费用，还大幅度加快和提高了工艺参数优化进程与效率。

Description

一种超声滚压加工温度测量分析方法
技术领域
本发明涉及工程材料表面强化技术领域，特别是涉及一种超声滚压加工温度测量分析方法。
背景技术
滚压加工是一种无切削的表面强化技术，超声滚压加工是利用超声波产生的颤振与滚压技术相结合的一种新型表面强化技术。超声滚压加工后工件的力学性能需要进行粗糙度、硬度、残余应力以及表面微观形貌测量与分析。在测量工件表面粗糙度时，需要表面轮廓仪进行测量，该设备在长期运行后其测量结果会出现较大的误差，对应的测量结果必然在一定程度上影响表面质量的评估。在测试工件表面硬度时，需要制备特定尺寸的测试试样，还需要清洗、镶样、研磨抛光，该程度过于复杂与繁琐。在进行表面微观形貌观察时，需要制备特定尺寸的预处理试样，然后进行镶样、研磨与抛光、腐蚀处理等。其制样程序不仅复杂对制备技术要求非常高。最后对不同力学性能参数进行分析与评价，得出工艺参数下被滚压工件的工作性能。
上述力学性能参数测试与分析过程不仅复杂与繁琐、对测试人的技术要求也非常高，这大大增加了测试分析过程的时间，而且测试费用过高。重要的是，延长了超声滚压加工工艺参数优化的时间。在超声滚压加工过程中，滚压刀具与工件表面间会产生温度信号，该信号会随着压力、主轴转速、滚压次数、超声频率等参数变化而变化。
发明内容
为了克服现有加工后工件性能检测技术存在的缺陷，本发明提出了一种超声滚压加工温度测量分析方法，使用热电偶采集加工过程中的温度信号，运用混沌理论研究温度信号的混沌特性，反应不同工艺参数组合下工件表面的力学性能，进而优化工艺参数；解决传统力学性能测试过程中测试试样过程的复杂性与耗时以及高昂的测试费用，从动力学角度更加准确地分析工件的力学性能，加快超声滚压加工工艺参数优化进程，大大提高优化效率与准确度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种超声滚压加工温度测量分析方法，包括以下步骤：
(1)在工件上安装温度测量装置；
(2)在超声滚压加工过程中实时采集刀具与工件表面间产生的温度信号，采样频率为500Hz；
(3)加工过程结束后，对温度信号进行降噪处理，然后计算温度信号的最大Lyapunov指数，进行混沌特性分析；
(4)对加工后的工件进行力学性能测试与分析；
(5)将温度信号的混沌特性与其力学性能进行相关性分析，确定温度信号的混沌特性与力学性能评价参数间的关联性；
(6)根据温度信号的混沌特性调整超声滚压加工工艺参数，再进行加工，对温度信号进行分析，分析其对应的力学性能，然后进一步优化工艺参数，最终得到最佳工艺参数组合。
进一步，在步骤(1)中，在工件侧面加工一个安装孔，孔深至加工区域中心位置；在安装孔位置安装一个针形热电偶，将针形热电偶与信号采集卡连接，最后接入到计算机中，用于后续的信号处理与分析。
再进一步，在步骤(3)中，将温度信号中每10000个数据点连续且不重叠分成若干部分，计算每一部分对应的最大Lyapunov指数.
再进一步，在步骤(5)中，将温度信号的混沌特性以及复杂程度与加工后工件表面的粗糙度、硬度和微观形貌建立对应关系，用于工艺参数的进一步选取。
再进一步，在步骤(6)中，更换工艺参数进行超声滚压加工，同时采集刀具与工件表面间的温度信号，不再对加工后的工件进行不同的力学性能测试，直接通过分析温度信号的混沌特征，得出该工艺参数下工件的力学性能，用于指导工艺参数的优化技术。
再进一步，在工件侧面距离待被加工表面1mm的位置加工一个直径为1mm的安装孔，在安装孔位置安装一个直径为1mm的针形热电偶。
更进一步，采用Wolf重构法计算温度信号的最大Lyapunov值，具体计算过程如下：
①利用Takens理论对单变量温度信号x(t)进行相空间重构；
②在重构空间中的选取一条轨道：
y(t)＝{x(t),x(t+τ),…,x(t+(m-1)τ)} (1)
式中，m为嵌入维数，τ为时间延迟；
③然后考察该条轨道上与式(2)中初始基准点最近的一点，并设这两点间的距离为L(t0)；
y(t0)＝{x(t0),x(t+τ),…,x(t0+(m-1)τ)} (2)
式中，t0为初始时刻；y(t0)为t0时刻对应的轨迹；
④在较后的时间t1，初始长度L(t0)演化为L’(t1)，然后寻找下一个数据点作取代，新数据点应满足两个准则：a.保证该点与演化后的基准点之间的距离L(t1)足够小；b.保证演化长度元与取代长度元之间的角度θ1变化很小；不断演化和取代处理直至跑遍整个基准轨道的数据；
⑤根据所有点及长度元的数值，最终得到最大Lyapunov指数的计算结果为：
Figure BDA0002236742850000041
式中，M为取代步数的总数，tM为总时间；tk-tk-1为两次取代之间的时间步长；
⑥分析温度信号重构后每部分对应的最大Lyapunov值，若最大Lyapunov值大于0，表明温度信号具有混沌特性；若最大Lyapunov值小于0，表明温度信号不具备混沌特性。
本发明的有益效果主要表现在：该温度测量分析方法，利用热电偶、采集卡以及计算机对温度信号进行采集，运用混沌理论对温度信号进行动力学分析，建立其与力学性能之间的相关性，进而直接用于评价不同工艺参数组合下强化后工件的力学性能，弥补了常用力学性能测试方法耗时、费用高、以及对制备技术高等缺点，加快了工艺参数优化的进程，提高了优化效率与准确度。
附图说明
图1是本发明的工作流程图。
图2是本发明的温度测量装置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种超声滚压加工温度测量分析方法，包括如下步骤：
(1)在工件上安装温度测量装置：在工件1侧面距离待被加工表面1mm的位置加工一个直径为1mm的安装孔，孔深至加工区域中心位置；在工件安装孔位置安装一个直径为1mm的针形热电偶2，将针形热电偶2与信号采集卡3连接，最后接入到计算机4中，用于后续的信号处理与分析；
(2)在滚压力为60N，横向进给量为118mm/min，主轴转速为500r/min，超声波振幅为6μm，滚压次数为6次的条件下，对铝合金工件进行超声滚压，在超声滚压过程中实时采集刀具与工件表面间产生的温度信号，采样频率为500Hz；
(3)加工过程结束后，运用MATLAB软件对温度信号进行降噪处理，然后将温度信号中每10000个数据点连续且不重叠分成若干部分，采用Wolf重构法计算每一部分对应的最大Lyapunov指数，进行混沌特性分析，具体计算过程如下：
①利用Takens理论对单变量温度信号x(t)进行相空间重构；
②在重构空间中的选取一条轨道：
y(t)＝{x(t),x(t+τ),…,x(t+(m-1)τ)} (1)
式中，m为嵌入维数，τ为时间延迟；
③然后考察该条轨道上与式(2)中初始基准点最近的一点，并设这两点间的距离为L(t0)；
y(t0)＝{x(t0),x(t+τ),…,x(t0+(m-1)τ)} (2)
式中，t0为初始时刻；y(t0)为t0时刻对应的轨迹；
④在较后的时间t1，初始长度L(t0)演化为L’(t1)，然后寻找下一个数据点作取代，新数据点应满足两个准则：a.保证该点与演化后的基准点之间的距离L(t1)足够小；b.保证演化长度元与取代长度元之间的角度θ1变化很小；不断演化和取代处理直至跑遍整个基准轨道的据；
⑤根据所有点及长度元的数值，最终得到最大Lyapunov指数的计算结果为：
Figure BDA0002236742850000061
式中，M为取代步数的总数，tM为总时间；tk-tk-1为两次取代之间的时间步长；
⑥分析温度信号重构后每部分对应的最大Lyapunov值，若最大Lyapunov值大于0，表明温度信号具有混沌特性；若最大Lyapunov值小于0，表明温度信号不具备混沌特性；
(4)对加工后的工件进行力学性能测试与分析；
(5)将温度信号的混沌特性以及复杂程度与加工后工件表面的粗糙度、硬度和微观形貌建立对应关系，用于工艺参数的进一步选取；
(6)根据温度信号的混沌特性调整超声滚压加工工艺参数，然后进行超声滚压加工，同时采集刀具与工件表面间的温度信号，不再对加工后的工件进行不同的力学性能测试，直接通过分析温度信号的混沌特征，得出该工艺参数下工件的力学性能，然后进一步优化工艺参数，最终得到最佳工艺参数组合。
本发明利用热电偶、采集卡以及计算机对温度信号进行采集，运用混沌理论对温度信号进行动力学分析，建立其与力学性能之间的相关性，进而直接用于评价不同工艺参数组合下强化后工件的力学性能，弥补了常用力学性能测试方法耗时、费用高、以及对制备技术高等缺点，加快了工艺参数优化的进程，提高了优化效率与准确度。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声滚压加工温度测量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在工件上安装温度测量装置；
(2)在超声滚压加工过程中实时采集刀具与工件表面间产生的温度信号，采样频率为500Hz；
(3)加工过程结束后，对温度信号进行降噪处理，然后计算温度信号的最大Lyapunov指数，进行混沌特性分析；
(4)对加工后的工件进行力学性能测试与分析；
(5)将温度信号的混沌特性与其力学性能进行相关性分析，确定温度信号的混沌特性与力学性能评价参数间的关联性；
(6)根据温度信号的混沌特性调整超声滚压加工工艺参数，再进行加工，对温度信号进行分析，分析其对应的力学性能，然后进一步优化工艺参数，最终得到最佳工艺参数组合；
在步骤(3)中，将温度信号中每10000个数据点连续且不重叠分成若干部分，计算每一部分对应的最大Lyapunov指数；
采用Wolf重构法计算温度信号的最大Lyapunov值，具体计算过程如下：
①利用Takens理论对单变量温度信号x(t)进行相空间重构；
②在重构空间中的选取一条轨道：
y(t)＝{x(t),x(t+τ),…,x(t+(m-1)τ)} (1)
式中，m为嵌入维数，τ为时间延迟；
③然后考察该条轨道上与式(2)中初始基准点最近的一点，并设这两点间的距离为L(t0)；
y(t0)＝{x(t0),x(t+τ),…,x(t0+(m-1)τ)} (2)
式中，t0为初始时刻；y(t0)为t0时刻对应的轨迹；
④在较后的时间t1，初始长度L(t0)演化为L’(t1)，然后寻找下一个数据点作取代，新数据点应满足两个准则：a.保证该点与演化后的基准点之间的距离L(t1)足够小；b.保证演化长度元与取代长度元之间的角度θ1变化很小；不断演化和取代处理直至跑遍整个基准轨道的数据；
⑤根据所有点及长度元的数值，最终得到最大Lyapunov指数的计算结果为：
Figure FDA0003505024560000011
式中，M为取代步数的总数，tM为总时间；tk-tk-1为两次取代之间的时间步长；
⑥分析温度信号重构后每部分对应的最大Lyapunov值，若最大Lyapunov值大于0，表明温度信号具有混沌特性；若最大Lyapunov值小于0，表明温度信号不具备混沌特性。
2.根据权利要求1所述的一种超声滚压加工温度测量分析方法，其特征在于：在步骤(1)中，在工件侧面加工一个安装孔，孔深至加工区域中心位置；在安装孔位置安装一个针形热电偶，将针形热电偶与信号采集卡连接，最后接入到计算机中，用于后续的信号处理与分析。
3.根据权利要求1所述的一种超声滚压加工温度测量分析方法，其特征在于：在步骤(5)中，将温度信号的混沌特性以及复杂程度与加工后工件表面的粗糙度、硬度和微观形貌建立对应关系，用于工艺参数的进一步选取。
4.根据权利要求1所述的一种超声滚压加工温度测量分析方法，其特征在于：在步骤(6)中，更换工艺参数进行超声滚压加工，同时采集刀具与工件表面间的温度信号，不再对加工后的工件进行不同的力学性能测试，直接通过分析温度信号的混沌特征，得出该工艺参数下工件的力学性能，用于指导工艺参数的优化技术。
5.根据权利要求2所述的一种超声滚压加工温度测量分析方法，其特征在于：在工件侧面距离待被加工表面1mm的位置加工一个直径为1mm的安装孔，在安装孔位置安装一个直径为1mm的针形热电偶。
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