三维表面微观形貌的表征趋势

近几年计算能力,计算速度、图像分析、数据处理技术的不断提高,极大地推进了三维表面微观形貌测量仪的实用化和商品化。对最近文献中出现的三维分析方法和表征参数,如基准表面、图形（像）表征、等进行了综述,提出了三维表征技术的任务和发展方向。     

零件真实粗糙表面构建及微观接触性能分析

目前对于微观粗糙表面模型的构建主要采用统计数学方法和分形方法,建模的前提基于大量假设和简化,不能真实反映表面形貌特征。因此提出了采用三维数字化测量与逆向工程相结合建立零件真实粗糙表面的方法,并分析微观接触性能。利用三维形貌测量仪测量得到真实粗糙表面形貌数据,并经过数据精简、去噪处理,采用逆向建模方法得到真实粗糙表面的三维实体模型;应用有限元分析技术,分析粗糙表面接触性能,包括结合面接触应力随载荷变化规律、不同加工方式零件界面真实接触面积变化规律,以及结合面受力-变形关系等。该方法有利于揭示零件微观界面接触机理,为进一步研究宏微观接触性能提供了方法参考。     

考虑耕犁的超声磨削表面微观形貌建模与预测

超声磨削加工在难加工材料领域得到广泛应用,超声辅助磨削过程中,超声振动参数对磨削后的表面微观形貌具有重要影响,因此,为了在加工前对超声加工后的表面微观形貌进行预测,以优化加工参数。提出一种考虑耕犁的超声磨削表面微观形貌建模与预测方法。假设磨粒为球形,磨粒直径与间距服从高斯分布,给出砂轮形貌的数值生成方法;根据超声磨削运动学,建立考虑磨粒实时切削深度与耕犁影响的三维运动轨迹方程;在此基础上,提出超声磨削表面微观形貌生成的区域逼近求解算法,进而给出超声磨削表面微观形貌生成模型,模拟出超声磨削的三维表面微观形貌。通过试验分别从表面微观形貌的轨迹纹理、表面粗糙度数值两个方面对超声磨削表面微观形貌的模型的正确性进行了验证。     

分形理论及其在机械结合面中的应用

简述了分形理论的产生经过,具体介绍了分形理论的几何概念.在指出机械加工表面具有统计自相似的结构的同时,介绍了用分形理论描述机械结合面微观形貌的优越性,进一步描述了近年来分形理论在机械加工表面的微观形貌特征的定量化描述中的应用现状.对传统描述方法和分形理论描述的精度及简易程度进行比较,结果表明运用分形理论来描述机械结合面的表面微观形貌特征有其独特的优越性,可以避免传统描述方法的多参数性,同时也解除了采样长度与仪器分辨率的影响.介绍了国内外的研究结果中分形理论在接触模型中的运用状况.认为分形理论最终会从二维发展到三维,能更精确地描述微观形貌,从而进一步建立精确的接触模型.     

基于小波的零件表面微观形貌多尺度重构

采用激光测量仪对车削机加工零件表面进行测量,获得零件亚纳米级的微观形貌数据,利用小波分析分时分频精细表达以及多分辨率分析的特点,建立粗糙表面多尺度重构模型,对基于真实测量数据的微观表面进行宏微观重构,并提出在不同尺度上提取粗糙表面的微凸体以精简数据的方法,从而实现在MATLAB和Pro/E中的微观表面建模仿真。提取的低频成分为零件表面二维和三维评定提供了基准,不同尺度上微观粗糙表面的重构为在不同精密等级上分析机加工工艺对零件表面粗糙度的影响提供了方法,Pro/E中重构的表面为有限元分析零件宏微观几何形貌与摩擦、润滑和密封的关联机制提供了几何模型。     

机械结合面接触模型有限元分析

借助LI-3型表面形貌测量仪对磨削加工的铸铁试件进行了三维形貌测量,基于实测表面数据逆向建模得到三维有限元模型,并导入ANSYS软件中建立该粗糙表面的接触模型。通过对不同采样长度下的机械结合面接触模型进行有限元仿真分析,研究了其接触面积、最大变形量和接触压力随载荷的变化关系。结果表明,采样长度越小,越能体现表面形貌精细结构,微凸体分布更加均匀。相同粗糙度、不同采样长度下表面接触特性的探索对于从微观方向解释宏观现象,揭示结合面作用机理的本质,具有良好的参考价值。     

研磨表面微观形貌的三维检测及Areal表征

介绍了三维表面微观形貌的检测方法,分析了采用高斯滤波提取基准中面的原理,针对研磨表面形貌的表征选取了一组Areal表征参数。运用原子力显微镜(AFM)扫描研磨工件的表面,采用高斯滤波提取基准中面进而分离出表面微观形貌的三维信息,在此基础上计算出表征参数值。试验表明研磨表面微观形貌呈现高斯分布规律,采用高斯滤波方法及所选的Areal表征参数能够有效地表征研磨表面的三维微观形貌。     

机械结合面微观接触模型及接触特性研究

通过原子力显微镜(AFM)实测得到机械结合面的真实三维微观表面形貌,同时基于分形理论模拟仿真得到了机械结合面三维微观表面形貌,分析结果表明,分形模拟表面形貌能较好地模拟机械结合面的真实微观表面形貌。进一步分别以实测的结合面表面形貌和基于分形理论模拟的表面微观形貌建立结合面的三维表面微观接触模型,运用有限元法进行接触仿真分析,研究真实微观表面之间的微观弹性及弹塑性接触特性,通过仿真分析得到Z向位移、接触面积和接触压力与接触载荷间的关系曲线。结果表明,基于分形理论建立的机械结合面分形模拟微观接触模型可以替代实测真实微观接触模型进行仿真分析。本研究能为深入开展结合面微观作用机理的研究提供理论依据。     

表面三维微观形貌检测技术及其发展

从表面特征衡量的角度阐述三维参数评定的客观性及合理性,强调三维微观形貌测量的重要民生。介绍当前表面三维微观形貌检测的多种测量方法及其特点,并阐述该测量技术的发展及趋势,提出表面形貌检测应从简单过程检测的角度扩展到完成工艺优化角色的思想。     

激光检测摩擦力显微镜的定量标定

本文简要描述了激光检测摩擦力显微镜的工作原理，探索出一种横向力标定的有效方法，可以从横向力信号中提取摩擦力信号，从而能够定量地对试样表面的形貌和力学性质进行纳米量级的评定，以获取微观表面真实的三维形貌图和微观摩擦系数等信息，为纳米摩擦学设计提供依据。实验结果表明，用该方法测得未清洗单晶硅表面的微观摩擦系数约为０．０６，和Ｂｈｕｓｈａｎ等人的结果吻合的很好。     

轮廓支承长度率曲线的应用研究

对轮廓支承长度率曲线的应用方法提出了不同看法，通过比较相关标准和规范，设定了基于轮廓支承长度率曲线的量化指标体系，实现对零件的耐磨性能、润滑性能、使用寿命等表面特性的准确评价，并通过对气缸套内表面珩磨平台网纹的检测，表明该体系可实现表面个性化功能属性描述，具有一定的实用价值。     

机械零件三维表面形貌测量与评定的研究

介绍了机械零件三维表面形貌的测量与评定,分析了激光干涉式位移传感器的光学原理和干涉条纹信号的细分方法.激光干涉式位移传感器的精度达到了5nm左右.另外,带计量系统的二维工作台也是整个测量系统的关键部分.因为采用了光栅尺作为二维工作台的计量系统,所以在表面形貌的测量过程中二维工作台在X和Y两个水平方向上都能获得精确的定位.     

一种新型滚动轴承表面形貌测量仪

介绍了一种新型的滚动轴承表面形貌测量仪,它采用一种全新的能越过陡峭表面的二维位移传感器和垂直扫描三维工作台组成一个闭环控制系统,将传统的触针移动扫描方式改变为工作台移动扫描方式。在测量工件时,二维位移传感器的测量杠杆总是不断地回到平衡位置,因此即使增大量程,由杠杆转动所引起的测量非线性误差也非常小。该仪器不仅可进行二维轮廓测量,还可进行三维形貌测量,具有大量程、高精度、小测量力和更多测量参数等特点。     

基于轮廓法的金刚石线锯整周三维表面形貌测量和评价

针对毫米级尺度线径和微米级尺度磨粒的金刚石线锯整周三维表面形貌测量难以实现与定量评价问题,提出一种基于轮廓法的圆周扫描表面磨粒形貌测量与分析方法。通过显微测量系统沿周向扫描采集金刚石线锯对应的边缘轮廓图像序列,经图像处理后获得金刚石线锯整个圆周表面形貌的坐标点云,采用三次样条插值法对数据进行平滑处理,经圆柱坐标变换处理,可重构金刚石线锯三维表面形貌。在金刚石线锯常用评价参数基础上,提出基于扫描过程二维投影轮廓和三维重构形貌的综合评价参数。采用自行研制的测量系统,对两个规格的线锯（线径外径分别为0.250 mm、0.320 mm;磨粒粒径范围30~40 μm）进行测量和评价。试验结果表明：该方法无需多次拼接,就可完成金刚石线锯整周三维微观形貌测量,并能实现对线锯特征参数的全面评价,可为线锯本身制造及使用过程中的工艺优化提供更加客观的基础数据。     

气缸套内表面平台珩磨网纹评定方法的探讨

对气缸套平台珩磨网纹的评定提出了不同的方法 ,改为基于粗糙度轮廓支承长度率曲线、幅度分布曲线、轮廓高度三个方面的三组参数 ,在实现准确评价平台网纹结构的同时 ,对珩磨工艺参数的选择具有一定的指导意义。     

虚拟制造中的数控车削仿真加工

介绍了以Windows2000为开发平台,以VC＋＋6．0为开发工具,采用OpenGL开发了三维数控车削仿真系统。该系统可对工件进行仿真加工,并将加工过程显示在屏幕上。通过对数控程序的碰撞和干涉检验,能够提高工件的加工表面质量,减少刀具的磨损。     

How two- and three-dimensional surface metrology data are being used to improve the tribological performance and life of some common machine elements

The use of two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) topography data in assessing the functional significance of manufactured surfaces has formed a useful tool to production and design engineers for many years. However, over recent years, the development of numerical contact analysis methods has allowed much more quantitative analysis of both 2D and 3D topography data to be performed. Some examples of how this has led to real improvements in the performance and life of common engineering components such as rolling element bearings and gears are presented to demonstrate the potential of such methods. At present numerical contact mechanics analysis is simply a research tool, but programs are now reaching a level of sophistication and potential to be of general use as production and design tools. It is likely that, in the near future, they will form a further, and very useful, analysis option available on future surface metrology instrument data-analysis packages.     

Optical shadowing in the electron microscope

Optical shadowing offers a valuable technique for the study of many transmission electron microscope specimens. Simply blocking half of the illumination with the objective aperture produces an image with a striking shadowed effect which gives a distinctly three-dimensional appearance to the specimen's surface topography. Theoretical analysis shows that this is due primarily to a discrimination between electrons refracted in opposite directions, and that the characteristic features of the effect are successfully explained by a refraction model. The capability of visualizing surface topography is applicable up to the full resolving power of the instrument and accordingly opens many new avenues of investigation.     

An analysis of the three-dimensional surface topography of textured cold-rolled steel sheets

The surface topography of cold-rolled steel sheet affects its press-forming behaviour and also influences the appearance of the end product after painting. In this study, the three-dimensional surface topography of several steel sheets processed by different technologies has been measured. Using statistical and signal processing techniques, two-dimensional power spectral density function, two-dimensional autocorrelation function and two three-dimensional characteristic parameters of the surface topography of each steel sheet are obtained separately. Through analyzing these parameters and charts of the functions, an investigation on three-dimensional surface topography of these steel sheets is performed.     

The influence of stylus flight on change of surface topography parameters

Theoretical and experimental work on stylus flight is described. The paper describes the development of a simulation model for assessing the magnitude of surface topography distortion by stylus flight. Experiments on the surfaces support the theoretical model, which predicts stylus flight. The measurements of different surface topographies (including surfaces after grinding, turning, honing, milling) were done using Talyscan 150 measuring instrument with four traversing speeds (0.5, 1, 2 and 3 mm/s). The results of theoretical considerations and experiments were compared. The effect of stylus flight on surface topography parameters of measured surfaces basing on experimental investigation was assessed. The tendency was found that slope decreased, decrease of amplitude parameters and increase of horizontal parameters took place, but these effects were different for various surface types. The simulation procedure assured good accuracy of surface topography parameters changes.Based on theoretical investigation, the effect of stylus flight and stylus tip radius on parameters of computer-generated profiles was predicted. The choice of traversing speed to different types of surfaces was done. The parameters of biggest changes caused by error in measurement due to stylus kinematics were selected.