一種顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削表面質(zhì)量評價方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量評價方法,是在試件磨削表面選取一定尺寸內(nèi)的微小區(qū)域;以邊長δ的立方網(wǎng)格對原始三維表面形貌進行劃分,通過三角形拼接的方式對原始三維表面形貌進行重構(gòu);以磨削表面微小區(qū)域各點高度信息為基礎(chǔ),統(tǒng)計三維重構(gòu)形貌表面積S(δ),繪制logδ—logS(δ)直線,獲得其斜率;選取表面5-8處不同位置的微小區(qū)域并求其分形維數(shù),再取它們的算術(shù)平均值作為最終評價結(jié)果。本發(fā)明提出通過三角剖分手段實現(xiàn)的微小區(qū)域分形維數(shù)作為三維評價參數(shù),可以憑借其包含的巨大信息量,避免加工缺陷對磨削表面質(zhì)量評價帶來的不利影響,顯著提高顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削表面質(zhì)量評價結(jié)果的可靠性。
【專利說明】一種顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削表面質(zhì)量評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量評價方法,可用于磨削 (包括精密、超精密磨削和拋光)加工零件表面質(zhì)量評價。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)行的磨削表面質(zhì)量評價參數(shù)主要包括以下兩類:輪廓算數(shù)平均偏差Ra、輪廓均 方根偏差Rq。然而,磨削加工形成的表面輪廓高度變化是一種非平穩(wěn)的隨機過程,這就導(dǎo)致 以上所列常用評價參數(shù)受多尺度性影響較為顯著,即對于不同的評價長度或所使用儀器的 不同分辨率,相應(yīng)測量結(jié)果往往相差較大。
[0003] 分形維數(shù)是分形理論中最為核心的內(nèi)容,可用于定量描述分形集的不規(guī)則以及復(fù) 雜程度。所謂分形集,是指幾何集成或自然物體形成過程或分布特征具有無標(biāo)度性(scale independent)和自相似性(self-similarity)。分形維數(shù)值可以是分數(shù)(分數(shù)維),其之于 分形集,正如整數(shù)維之于歐氏幾何集。一般認為,分形維數(shù)大意味著外形更為復(fù)雜,細節(jié)更 為豐富。
[0004] 分形理論已應(yīng)用于普通鋼鐵材料切削、磨削加工表面質(zhì)量評價,其核心內(nèi)容包括: 采用高精度輪廓儀測取一段二維取樣輪廓(見圖1),而后經(jīng)優(yōu)化選擇較為適宜的分形算法, 計算該取樣輪廓分形維數(shù)。盡管此方法可消除多尺度性帶來的不利影響,但將二維分形理 論應(yīng)用于顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削表面質(zhì)量評價還存在諸多問題。原因主要在于: 顆粒增強鈦基復(fù)合材料由鈦合金基體與彌散分布的增強顆粒構(gòu)成,這與普通鋼鐵材料 僅由金屬或合金基體構(gòu)成不同。由于增強顆粒具有的高硬度等特性,顆粒增強鈦基復(fù)合材 料磨削表面缺陷主要表現(xiàn)為:①增強顆粒在基體表面按壓摩擦形成的凹槽;②增強顆粒被 拔出形成的深坑;③增強顆粒被拔出后重新被擠壓在基體表面形成的凸起;④高溫環(huán)境下 基體材料(如增強顆粒被拔出時會帶有部分基體材料)的重新涂覆。上述因素均可導(dǎo)致二維 取樣輪廓不能反映顆粒增強鈦基復(fù)合材料整個磨削加工表面的特征,造成已有的表面質(zhì)量 評價方法在顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削表面質(zhì)量評價過程中的可靠性較低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 發(fā)明目的 本發(fā)明的目的是提供一種顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量評價方法,解決現(xiàn) 有評價方法存在的可靠性低的問題。
[0006] 技術(shù)方案 采用三維微小區(qū)域分形維數(shù)評價顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量,步驟如 下: 步驟1 :微小區(qū)域選取 在試件磨削表面隨機選取待測微小區(qū)域。其尺寸范圍需在遵循包含足量原始形貌信 息這一前提之下基于后續(xù)觀察拍攝所采用設(shè)備的分辨率進行選取。本發(fā)明采用尺寸范圍為 665X886 μ m2 (設(shè)備分辨率 1600X1200)。
[0007] 步驟2 :三角剖分:通過三角形拼接的方式對原始三維表面形貌進行重構(gòu) (1) 利用三維視頻顯微鏡拍攝磨削表面微小區(qū)域三維表面形貌圖并提取其中各點高度 信息; (2) 以各點高度信息為基礎(chǔ),采用邊長δ ( δ取值范圍需滿足分形集要求的標(biāo)度不變 性特質(zhì),即f ( S ) =aX δ k,此處a、k為常數(shù),f ( δ )為邊長δ立方網(wǎng)格所對應(yīng)步驟3中 表面積計算值)的立方網(wǎng)格對原始三維表面形貌進行劃分,連接發(fā)生干涉的立方單元堅直 棱邊與表面輪廓相交的四個頂點則可在輪廓表面形成四邊形,將其對角頂點相連而形成兩 個三角形。
[0008] 步驟3 :雙對數(shù)直線坐標(biāo)繪制 (1) 將步驟2 (1)中點的高度信息作為原始數(shù)據(jù),借助MATLAB中數(shù)學(xué)計算功能統(tǒng)計步 驟2 (2)中全部三角形面積S ( δ ),即三維重構(gòu)形貌表面積; (2) 以log δ為橫軸,log S ( δ )為縱軸,基于最小二乘法原則在笛卡爾直角坐標(biāo)系中 繪制 log δ - log S ( δ )直線; 步驟4 :通過計算步驟3中l(wèi)og δ - log S ( δ )直線斜率即可得到顆粒增強鈦基復(fù)合 材料磨削加工表面單個微小區(qū)域分形維數(shù); 步驟5 :采用同樣的方法,選取表面5-8處不同位置的微小區(qū)域并求其分形維數(shù),再取 它們的算術(shù)平均值作為最終評價結(jié)果。
[0009] 本方法的優(yōu)點:與傳統(tǒng)磨削加工表面質(zhì)量的評價參數(shù)以及二維分形維數(shù)相比,本 方法利用微小區(qū)域分形維數(shù)這一三維表面質(zhì)量評價參數(shù),顯著提升了計算樣本包含的真實 形貌信息,避免了因顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面缺陷給評價結(jié)果帶來的不利影 響,顯著提高了評價結(jié)果的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1二維分形維數(shù)計算用取樣輪廓; 圖2三維微小區(qū)域分形維數(shù)計算用取樣區(qū)域; 圖3三維微小區(qū)域分形維數(shù)計算過程中三角剖分示意圖; 圖4三維微小區(qū)域分形維數(shù)計算過程中測量尺度與測量結(jié)果雙對數(shù)關(guān)系圖(log δ - log S ( δ )); 圖5顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削表面三維微小區(qū)域分形維數(shù)評價過程取樣區(qū)域,其中 (a)磨削表面微小區(qū)域的凹槽;(b)磨削表面微小區(qū)域的凸起;(c)磨削表面微小區(qū)域無缺 陷。
【具體實施方式】
[0011] 本發(fā)明通過以下步驟實現(xiàn)顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量評價: 實施例1 : 步驟1 :微小區(qū)域選取 在試件磨削表面隨機選取尺寸范圍為665X886 μ m2的微小區(qū)域。
[0012] 步驟2:三角剖分 (1) 利用三維視頻顯微鏡KH-7700(設(shè)備分辨率1600X 1200)拍攝磨削表面微小區(qū)域三 維表面形貌圖并提取全部1600X 1200個點的高度信息; (2) 以(1)中點的高度信息為基礎(chǔ),采用邊長δ的立方網(wǎng)格對原始三維表面形貌進行 劃分,如圖3所示,連接發(fā)生干涉的立方單元堅直棱邊與表面輪廓相交的四個頂點而在輪 廓表面形成四邊形,將其對角頂點相連形成兩個三角形。這種通過三角形拼接的方式對原 始三維表面形貌進行重構(gòu)的過程便是三角剖分。
[0013] 步驟3 :雙對數(shù)直線坐標(biāo)繪制 (1) 將步驟2 (1)中點的高度信息作為原始數(shù)據(jù),借助MATLAB中數(shù)學(xué)計算功能統(tǒng)計步 驟2 (2)中全部三角形面積S ( δ ),即三維重構(gòu)形貌表面積; (2) 以log δ為橫軸,log S ( δ )為縱軸,基于最小二乘法原則在笛卡爾直角坐標(biāo)系中 繪制log δ -log S ( δ )直線,結(jié)果如圖4所示。
[0014] 步驟4 :通過計算步驟3中l(wèi)og δ -log S ( δ )直線斜率即可得到顆粒增強鈦基 復(fù)合材料磨削加工表面單個微小區(qū)域分形維數(shù)。采用同樣的方法,選取表面5處不同位置 的微小區(qū)域并求其分形維數(shù),再取它們的算術(shù)平均值作為最終評價結(jié)果。
[0015] 實施例2.驗證試驗: 圖1和圖2的對比可顯示出微小區(qū)域分形維數(shù)在包含磨削表面特征信息量方面的巨大 優(yōu)勢。現(xiàn)針對砂輪線速度l〇〇m/s、進給速度6m/min、切深10 μ m開展顆粒增強鈦基復(fù)合材 料磨削試驗。磨削結(jié)束后,采用觸針式表面粗糙度測量儀測量表面微小區(qū)域指定位置的輪 廓算數(shù)平均偏差你。取樣長度為〇.8mm,評價長度取5倍取樣長度。采用觸針式輪廓儀測 量同樣位置表面二維輪廓,掃描分辨率〇. 8 μ m,掃描長度5. 6_。
[0016] 分別選取磨削速度100m/S時具有典型表面缺陷的微區(qū)域I ((a)凹槽)、II ((b) 凸起)以及不具有明顯缺陷的區(qū)域III (C)為樣本,如圖5所示。其中,堅直標(biāo)識為輪廓算 數(shù)平均偏差及二維分形維數(shù)取樣方向及位置。另外,微小區(qū)域分形維數(shù)取樣區(qū)域為圖片所 示全部區(qū)域,尺寸為665X886 μ m2。
[0017] 表1顯示了三種不同評價參數(shù)相應(yīng)的評價結(jié)果。顯然,輪廓算數(shù)平均偏差Ra以及 二維分形維數(shù)評價結(jié)果因其評價過程涉及的表面細節(jié)信息少而保持不變。三維微小區(qū)域分 形維數(shù)則因其包含足夠多信息量,最終評價結(jié)果隨不同表面細節(jié)狀況顯示出相應(yīng)變化。這 說明,同等條件下,輪廓算數(shù)平均偏差Ra與二維分形維數(shù)評價磨削表面的結(jié)果靈敏度低、 可靠性差,而三維微小區(qū)域分形維數(shù)值評價磨削表面的結(jié)果靈敏度高、可靠性好。
[0018] 表1三種不同評價參數(shù)的評價結(jié)果
【權(quán)利要求】
1. 一種顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量評價方法,其特征在于,利用三維微 小區(qū)域分形維數(shù)定量評價顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量評價方法,其特征 在于,包括以下步驟: 步驟1 :微小區(qū)域選取 在磨削試件表面隨機選取微小區(qū)域; 步驟2 :三角剖分:通過三角形拼接的方式對原始三維表面形貌進行重構(gòu): (1) 利用三維視頻顯微鏡拍攝磨削表面微小區(qū)域三維表面形貌圖并提取其中各點高度 信息; (2) 以(1)中各點高度信息為基礎(chǔ),采用邊長δ的立方網(wǎng)格對原始三維表面形貌進行 劃分,連接發(fā)生干涉的立方單元堅直棱邊與表面輪廓相交的四個頂點而在輪廓表面形成四 邊形,將其對角頂點相連形成兩個三角形; 步驟3 :雙對數(shù)直線坐標(biāo)繪制 (1) 將步驟2 (1)中點的高度信息作為原始數(shù)據(jù),借助MATLAB的計算功能統(tǒng)計步驟2 (2)中全部三角形面積S ( δ ),即三維重構(gòu)形貌表面積; (2) 以log δ為橫軸,log S ( δ )為縱軸,基于最小二乘法原則在笛卡爾直角坐標(biāo)系中 繪制 log δ -log S ( δ )直線; 步驟4 :通過計算步驟3中l(wèi)og δ -log S ( δ )直線斜率即可得到顆粒增強鈦基復(fù)合材 料磨削加工表面單個微小區(qū)域分形維數(shù); 步驟5 :采用同樣的方法,選取表面5-8處不同位置的微小區(qū)域并求其分形維數(shù),再取 它們的算術(shù)平均值作為最終評價結(jié)果。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量評價方法,其特征 在于步驟1中微小區(qū)域的尺寸范圍是在滿足包含足量原始形貌信息前提下基于后續(xù)觀察 拍攝所采用設(shè)備的分辨率進行選取。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量評價方法,其特征 在于步驟2 (2)中δ取值范圍需滿足f ( δ ) =aX δ k,a、k為常數(shù),f ( δ )為邊長δ立 方網(wǎng)格所對應(yīng)步驟3中表面積計算值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的顆粒增強鈦基復(fù)合材料磨削加工表面質(zhì)量評價方法,其特征 在于微小區(qū)域的尺寸范圍為665X886 μ m2,設(shè)備分辨率1600X1200。
【文檔編號】G01B11/24GK104296680SQ201410543446
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】丁文鋒, 奚欣欣, 徐九華, 傅玉燦, 蘇宏華, 楊長勇, 陳燕 申請人:南京航空航天大學(xué)