各向异性自相关长度对三维计算机模拟表面参数的影响

目的研究计算机模拟过程中不同自相关长度对重构后表面表征参数的影响。方法采用新FFT方法,保持特定参数(高度均方根、偏态、峰值)不变,对不同自相关长度(3、10、30、100)在两个方向上的不同组合,进行了共16次三维粗糙表面形貌计算机模拟实验,并从不同方向自相关长度组合的角度,对与形貌特征关联度较高的参数影响进行了分析。结果算数平均峰曲率、峰密度、均方根斜率总体上和两个方向上的自相关长度呈负相关,而最快下降自相关长度与两个方向上的自相关长度呈正相关,纹理高宽比与两个方向的自相关长度是否接近有关,其中峰密度、最快下降自相关长度都对不同自相关长度中的较小自相关长度比较敏感,而对较大自相关长度的变化反应较小,算数平均峰曲率、均方根斜率则表现出相同的较高敏感性。结论表面表征参数中的高度分布参数和自相关长度没有关系,而结构比例方面的参数和自相关长度关联显著。     

非高斯高度分布函数构造的表面形貌的表征

目的 研究具有不同高度分布函数的表面形貌粗糙度参数的变化.方法 高度分布函数包含了表面形貌的高度信息,通过对其逆运算可重新构建表面形貌.通过统计表征不同高度分布函数所构建的表面形貌的高度类粗糙度参数,并对比分析它们之间的变化关系,从而确定用于准确描述表面形貌的基本高度类参数.结果 源于同一种非高斯型的分布函数构建出的表面形貌,部分表征表面形貌的高度类粗糙度参数会保持一致;而源于不同的非高斯型高度分布函数构建出的表面形貌,其部分高度类粗糙度参数(Ra、Rq、Rsk、Rku)会随高度分布函数形状的变化而发生规律性变化,由此提出了高度类参数简化选择的方式.结论 可根据需求选取适当的粗糙度参数来表征表面形貌.对于满足同一高度分布函数的表面形貌,可以通过测量与峰值(谷值)相关的参数(如Rp、Rv等)或高度位置信息相关的参数(如Rtm、R3y等),来表征区分不同的表面形貌.对于满足不同高度分布函数的表面形貌,可以通过测量由分布函数确定的参数(Ra、Rq、Rsk、Rku)来进行初步的表面表征区分,而后再按照需求进行多参数的测量.     

电加工零件表面形貌特征的探讨

本文通过对电加工零件表面粗糙度进行测量．得到大量的实测数据，即测量算术平均偏差Ｒ＿ａ在表面径向等角距的八个方向的截面数据。运用随机过程分析方法，分别求出每个零件表面形貌的特征参数、幅度密度函数、自相关函数的图形和功率谱密度函数。对这些特征参数和函数的图形进行分析，探讨电加工零件表面形貌特征。为制订合适的表面粗糙度评定参数作准备。     

缸套磨损表面波纹度和粗糙度形貌特征变化规律

以硼磷合金铸铁缸套与氮化铬活塞环为研究对象,通过设计贫油试验,获得了缸套从磨合磨损到正常磨损直至异常磨损的三维表面形貌。基于多分辨率二维离散小波获得三维表面形貌的各层高频系数,以二维功率谱密度进行高频系数分类,重构出磨损表面的形状误差、波纹度和粗糙度形貌。采用算术平均偏差、坡度参数、峰顶曲率参数,量化描述波纹度和粗糙度形貌几何特征的变化规律。结果表明:多分辨率二维离散小波可以提取不同磨损阶段的波纹度和粗糙度形貌;随着磨损的进行,波纹度和粗糙度形貌的算术平均偏差、坡度参数、峰顶曲率参数均增大;当出现异常磨损时,波纹度形貌的算术平均偏差变化幅度大于粗糙度形貌,粗糙度形貌的坡度变化幅度大于波纹度形貌,波纹度和粗糙度形貌的峰顶曲率参数变化幅度相近。     

飞秒激光制备梯度润湿性单晶硅表面∗

针对化学气相沉积、自组装技术等表面制备方法存在化学污染、表面结合强度低等问题,运用飞秒激光在单晶硅表面加工正方形微凹坑阵列制备梯度润湿性表面,使用白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪和接触角测量仪分别测量单晶硅表面粗糙度、微观形貌、化学成分及接触角。 通过改变激光能量密度制备不同梯度润湿性表面,研究不同激光能量密度下液滴在梯度润湿性表面上的铺展规律。 结果表明:随激光能量密度增大,表面粗糙度参数算术平均高度、均方根斜率和界面扩展面积比整体呈增大趋势,表面接触角整体呈减小趋势。 由于激光能量密度增大导致的单晶硅表面平行微凹槽、重凝层及不规则微纳结构使均方根斜率、界面扩展面积比及表面接触角出现波动。 液滴在梯度润湿性表面定向铺展分为加速与减速两个阶段,减速阶段速度伴随明显波动现象,小体积液滴的铺展速度更快。 实现了飞秒激光高精度、非接触、过程可控的梯度润湿性表面制备,结果可为制备单晶硅微流控器件提供理论参考。     

电加工零件表面形貌特征的探讨

本文通过对电加工零件表面粗糙度进行测量，得到大量的实测数据，即测量算术平均偏差Ｒａ在表面径向等角距的八个方向的截面数据，运用随机过程分析方法，分别求出每个零件表面形貌的特征参数、幅度密度函数、自相关函数的图形和功率谱密度函数，对这些特征参数和函数的图形进行分析，探讨电加工零件表面形貌特征，为制订合适的表面粗糙度评定参数作准备。     

基于支持向量机的铝基碳化硅磨削表面质量预测

目的针对传统粗糙度指标评价具有凹坑缺陷的铝基碳化硅磨削表面质量的局限性,提出基于三维形貌的改进表面粗糙度评价指标及其预测模型。方法基于磨削表面三维形貌构建等高线图,获取等高线轮廓间面积占比与轮廓高度的关系曲线,提出表面三维形貌体积相对于采样区域面积的算术平均偏差和凹坑最大偏离高度评价指标,用于表征包含凹坑缺陷的磨削表面质量。基于支持向量机建立和优化三维形貌算术平均偏差和凹坑最大偏离高度的预测模型,并分析磨削工艺参数对评价指标的影响规律。结果三维形貌算术平均偏差和凹坑最大偏离高度评价指标包含凹坑缺陷等更多表面特征,评价指标预测值与实验值误差在5%以内,且随着砂轮转速的增大而减小,随着进给速度与磨削深度的增大而增大。结论采用三维形貌算术平均偏差和凹坑最大偏离高度评价包含凹坑缺陷的磨削表面质量是合理的,评价指标测量和确定方法是可行和有效的。基于支持向量机的评价指标预测方法具有正确性,为铝基碳化硅磨削表面质量评价和使用性能研究打下了基础。     

微细加工表面的三维微观形貌比较分析

分析三种微细加工表面微观结构、表面凸峰的高斯曲率以及表面谱距特征的结果表明,微细电火花线切割加工表面由随机分布的半球状或半椭球状的凸峰和凹坑组成,没有明显的纹理方向,表面高度、斜度均一性及等方性较好,呈典型的各向同性特征. 精密磨削加工表面由较为规则的棱和沟组成,有明显的加工纹理方向,表面斜率均一性和等方性较差,呈典型的各向异性特征. 激光微细加工表面由单峰和多峰相连组成,表面纹理方向性不明显,表面等方性很好,但高度和斜率均一性较差,虽然属于各向同性表面,但具有特殊性,在表面评价时应选取适当评价参数.     

螺栓结合面的三维弹塑性接触的有限元分析

为揭示螺栓结合面的微观接触机理,探究不同加载下三维表面粗糙度参数的变化,基于实测的三维形貌数据,建立了螺栓结合面的三维弹塑性有限元接触模型;进一步通过提取有限元模型表面节点坐标及其变形量,重构受压后的三维形貌.测得的表面粗糙度峰值高度明显降低,其三维粗糙度参数Sa、Sq、Sp、Sv和Sz随着装配载荷的增加而逐渐降低,粗...     

N^＋注入GCr15钢表面形态变化研究

详细测量和分析了ＧＣｒ１５钢经离子注入处理后的二维和三维表面粗糙度．结果表明．随注入能量和剂量的不同各评定参数的变化趋势也不同。离子注入使粗糙度高度参数值普遍下降，间距参数值有时增大，有时减小；通过溅射作用有时使粗糙峰数减少，有时又产生新峰；形状参数上峰态也发生变化。同时，对不同参数的注入表面尚进行了自相关函数和功率谱函数分析。     

改进的粗糙表面线性变换重构方法

目的 设计一种改进方法,解决线性变换法无法实现任意偏斜度Ssk和峭度Sku组合的粗糙表面重构,以及无法保证表面高度极值特征参数(包括最大高度Sz、最大峰高Sp和最大谷深Sv)精度的问题。方法 通过求解表面高度概率密度函数,代替线性变换法的Johnson转换,构造符合指定高度分布的非高斯序列,并利用时频迭代法保证重构表面高度参数的精度,在此基础上,设置特定的Ssk和Sku理论值,以证明所提改进方法的优越性,并将重构喷丸表面和磨削喷丸表面与相应实测表面进行对比,验证改进方法的合理性。结果 改进方法对任意Ssk和Sku组合的粗糙表面均能准确重构,且可以保证表面高度极值特征参数的精度,最大误差不超过5%。此外,基于时频迭代法,改进方法有效避免了线性变换法中线性变换带来的原理性误差,重构表面的精度高且鲁棒性好,利用改进方法重构的喷丸表面和磨削喷丸表面,其高度分布、自相关函数均与实测表面吻合良好,相关粗糙度参数的最大误差低于5%。结论 对于任意高度分布和自相关函数的粗糙表面,文中提出的改进方法均可实现高效、精准的重构,且表面Sq、Ssk和Sku值能得到精确保证,表面高度极值特征参数也可得到良好表征。此外,采用改进方法重构的喷丸和磨削喷丸表面,其高度分布也更加符合实际。     

Roughness and texture generation on end milled surfaces

Plane surface generation mechanism in flat end milling is studied in this research. The bottom of a flat end mill has an end cutting edge angle that plays an important role in surface texture. Surface texture is produced by superposition of conical surfaces generated by the end cutting edge rotation. The machined surface is cut once again by the trailing cutting edge. This back cutting phenomenon is frequently observed on surfaces after finishing. Tool run-out and tool setting error including tool tilting and eccentricity between tool center and spindle rotation center are considered together with tool deflection caused by cutting forces. Tool deflection affects magnitude of back cutting and the surface form accuracy. As a result, the finished surface possesses peaks and valleys with form waviness. Surface topography parameters such as RMS deviation, skewness and kurtosis are used for evaluating the generated surface texture characteristics. Through a set of cutting tests, it is confirmed that the presented model predicts the surface texture and roughness parameters precisely including back cutting effect.     

Surface characterisation of electro-active thin polymeric film bearings

We report the results of a recent study of tribological properties of electropolymerised thin film bearings. Poly(pyrrole) films of different thickness and incorporating different counter ions have been grown onto gold electrodes on glass lens substrates and tested under a pin-on-disk apparatus. The topography of the films has been studied in order to set up correlation between surface parameters and the tribological functions, which is in turn to identify crucial parameters in the film processes for an optimum surface performance. Based upon this study, roughness distribution parameter, skewness and kurtosis are playing an important role in controlling friction. Film surfaces with positive skewness and high kurtosis values are favourable for low friction bearings.     

高氮钢CMT电弧增材制造多道搭接表面质量评价

针对电弧增材制造成形问题,提出基于三维表面粗糙度参数的零件表面质量评价方法. 以高氮钢为例,采用CMT工艺进行多道搭接试验,通过三维扫描设备提取零件表面信息,计算表面轮廓均方根偏差S_q和轮廓偏斜度S_sk,对比计算所得数据与实际表面成形情况,并利用所提出的方法研究了增材制造过程中电弧摆宽对多道搭接表面质量的影响. 结果表明,此评价方法所得数据规律与实际成形情况基本吻合,具有较好的适应性和科学性. 根据数值S_q和S_sk大小可将成形表面质量由优到差分为A,B,C,D 4个等级. 电弧增材制造的热输入和电弧摆宽对成形表面质量影响较大. 在热输入较大时,电弧摆宽为15和10 mm时,熔敷焊道余高小、宽高比大,搭接成形更好.     

The effect of material selection and manufacturing process on the surface finish of carbon fibre composites

Using a design of experiment (DOE) approach, this work investigated the surface finish of as-moulded and painted carbon fibre composite laminates manufactured by two alternative methods, autoclave and a rapid curing process—Quickstep?. The effect of two fibre architectures on the surface finish of unidirectional and 2 × 2 twill laminates combined with a surfacing film was studied using surface profilometry and wave-scan distinctness of image (DOI) techniques. Investigation of the as-moulded surface finish showed that the autoclave cured laminates had lower surface roughness than the Quickstep laminates in terms of arithmetic mean (Ra), maximum peak to valley height (Rt), skewness (Rsk) and kurtosis (Rku). Interaction effects showed that the surfacing film reduced the Rsk and Rku when combined with the unidirectional fibre architecture but increased with the twill material. The autoclave manufactured panels combined with the unidirectional material improved the painted surface finish as identified by the DOI and long-term waviness main effect plots. Surface roughness results could not detect the influence of manufacturing and material variables on the painted surface finish. The painting process caused the microsurface defects to be concealed, resulting in defects of larger structure sizes to remain as observed using the wave-scan DOI technique.     

基于BP神经网络的表面偏斜度和峰度预测建模

目的当前实际生产中对表面形貌的表征主要利用表面算术平均偏差Sa,而通过不同加工方式获得的表面有时尽管具有相同的Sa值,而其表面纹理结构、表面轮廓幅度值的对称程度及凸峰尖锐程度往往存在较大的差异,所以此时引入表面偏斜度Ssk和表面峰度Sku来共同表征表面形貌更为精确可信。方法利用正交试验和极差分析的方法研究各磨削参数如何影响表面偏斜度和表面峰度的变化。将BP神经网络引入到对表面偏斜度和表面峰度的预测建模中,利用其自学习的特性,有效克服了表面粗糙度建模的多输入、非线性复杂问题。结果获得了磨削参数对表面偏斜度和表面峰度的影响规律,当v_s=20 m/s,v_f=27 m/min,f=5mm/min,ap=0.005 mm时Ssk最小,当v_s=29 m/s,v_f=23 m/min,f=25 mm/min,ap=0.002 mm时S_(ku)最小;分别建立了磨削参数对S_(sk)和S_(ku)的精确神经网络预测模型。结论 v_f和f对S_(sk)影响较大,而f和vs对Sku的影响最大。为获得凹谷较多、尖锐凸峰较少的表面,必须选择合适的磨削工艺参数。建立的预测模型可以对磨削工艺优化起到有效的指导作用。     

基于功能参数的渐进成形件表面质量表征研究

目的 以圆锥台成形件为例,基于粗糙表面的区域支承率曲线,进行了用功能参数表征表面几何形貌的研究,以全面、准确、定量地表征渐进成形件的表面质量,预测表面性能。方法 用渐进成形工艺加工成形角分别为35°、45°和55°的圆锥台件,将各圆锥台的成形面分为顶部、中部和底部三个区域,并使用三维表面轮廓仪,在上述三个区域中随机测量各4个样本。根据ISO 25178-2:2012,将各样本表面的区域支承率曲线分为峰区、核心区和谷区,选用部分功能参数——核心区高度Sk、峰区材料体积Vmp、核心区材料体积Vmc和谷区空隙体积Vvv表征表面,并与常用的高度表征参数——Sa、Sq、Ssk和Sku进行比较。结果 成形件表面的Ssk和Sku的计算值极不稳定,变异系数（标准偏差与均值之比）最高值分别可达127.67%和39.11%,Sa、Sq的最大变异系数分别为4.41%和4.26%,虽然它们的参数计算值较为稳定,但常无法体现表面形貌的实际差异。功能参数独立表征不同功能区,Sk和Vmc的最大变异系数分别为9.32%和7.73%,说明同一表面各处,在长期工作阶段具有较为一致的表面性能,Vmp和Vvv的最大变异系数分别为60.53%和31.25%,说明表面各处峰、谷区的形貌有所不同,因而在磨合时间、磨粒存储等方面会有不同的表现。结论 粗糙表面的三维本质要求用三维表征参数才能全面表征其几何形貌。高度参数虽然计算简单,但常难以解读它们的物理意义,无法定量评价表面性能;功能参数具有明确的物理意义,可为表征表面质量、预测表面性能提供定量、实用的方法。