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典型機(jī)械加工表面形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析

2020-02-28 04:05:58葉峻鋒孟素各顧天奇
關(guān)鍵詞:曲率粗糙度形貌

方 兵, 葉峻鋒, 孟素各, 顧天奇

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 福建 福州 350002; 2. 福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350108)

0 引言

機(jī)械加工表面微觀的不平整性導(dǎo)致零部件連接部位剛度、 電阻和接觸熱阻等物理特性發(fā)生非線性的變化. 在采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAE)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí), 這種變化將影響設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性. 因此, 如何建立零件連接部位(即結(jié)合部)的分析模型是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵. 基于統(tǒng)計(jì)表面形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù)研究粗糙表面接觸特性是常見(jiàn)的方法[1-3]. 采用統(tǒng)計(jì)模型的首要任務(wù)是確定“凸峰”的幾何屬性, 包括位置、 高度(或高度分布)、 曲率半徑以及分布密度等信息. 目前, 解決這一問(wèn)題的基本思路是: 在一定范圍內(nèi)尋找局部最高點(diǎn), 并以該點(diǎn)附近的點(diǎn)擬合得到一個(gè)“凸峰”, 再計(jì)算其曲率半徑和高度等信息. 根據(jù)搜索范圍的不同有3點(diǎn)峰準(zhǔn)則[4-5]、 5點(diǎn)峰準(zhǔn)則[6]、 7點(diǎn)峰準(zhǔn)則[7]等. 上述方法很好地解決了“凸峰”確定問(wèn)題, 但往往會(huì)導(dǎo)致表面輪廓線不連續(xù); 其次, 這些方法一般采用分型函數(shù)(WM函數(shù))生成表面形貌數(shù)據(jù), 從而導(dǎo)致該方法生成的數(shù)據(jù)和實(shí)際有差別. 因此, 本研究基于樣條曲線擬合理論和凸峰獨(dú)立的原則, 提出一種新的凸峰定義方法. 在此基礎(chǔ)上, 測(cè)取不同機(jī)械加工表面的形貌數(shù)據(jù), 分析粗糙表面形貌的統(tǒng)計(jì)參數(shù), 并對(duì)比分析了不同加工方法、 不同粗糙度值的表面形貌數(shù)據(jù).

1 表面形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析

1.1 凸峰的定義

機(jī)械加工表面形貌可以看作是一個(gè)各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程, 不能用確切的函數(shù)表達(dá)式來(lái)描述. 為能夠分析其統(tǒng)計(jì)特性, 對(duì)表面形貌數(shù)據(jù)采樣, 得到表面離散點(diǎn)數(shù)據(jù), 并采用三次樣條曲線擬合表面形貌數(shù)據(jù)[8]. 對(duì)某一表面輪廓以步長(zhǎng)Δh等間隔采樣, 得到離散點(diǎn)序列(xi,yi)(i=0, 1, …,k),xi為取樣長(zhǎng)度,yi為表面輪廓高度. 在子區(qū)間 [xi,xi+1] (i=0, 1, …,k-1)內(nèi), 建立插值函數(shù)

fi(x)=aix3+bix2+cix+di

(1)

其中:ai,bi,ci,di是待定系數(shù). 通過(guò)給定子區(qū)間的連續(xù)條件(即一階導(dǎo)數(shù)和兩階導(dǎo)數(shù)連續(xù))和2個(gè)附加的邊界條件(給定兩端一階導(dǎo)數(shù)值), 即可求解出所有待定的系數(shù), 確定唯一的三次樣條曲線[8].

凸峰在微觀表面形貌中意味要高于周?chē)狞c(diǎn), 且在載荷的作用下, 不與周邊的凸峰發(fā)生干涉. 直接利用三次樣條擬合得到的曲線, 往往會(huì)出現(xiàn)“峰上峰”的現(xiàn)象, 這不符合凸峰的定義.

圖1 表面微觀形貌示意圖Fig.1 Schematic of microscopic surface morphology

為避免出現(xiàn)凸峰重疊現(xiàn)象, 規(guī)定: 若擬合曲線中兩凸峰的距離小于3×Δh時(shí), 將由一個(gè)新的凸峰代替現(xiàn)有的兩個(gè)凸峰. 如圖1所示, 點(diǎn)i至點(diǎn)i+4形成的凸峰互相干涉. 此時(shí), 保留兩個(gè)端點(diǎn)(即Pi和點(diǎn)Pi+4), 定義新的點(diǎn)PN替代點(diǎn)Pi+1、Pi2和Pi+3, 點(diǎn)PN為兩峰值點(diǎn)的中心, 需滿足關(guān)系

(2)

式中:Ps1和Ps2分別為兩個(gè)凸峰的坐標(biāo).

得到PN坐標(biāo)后, 再次利用三次樣條曲線擬合, 得到新的擬合曲線. 重復(fù)檢測(cè)凸峰之間的距離, 并按公式(2)得到新的擬合點(diǎn), 便可解決凸峰重疊的現(xiàn)象.

1.2 凸峰高度分布函數(shù)

實(shí)際上兩個(gè)表面相互接觸時(shí), 往往不是全部表面接觸, 而是一些“凸峰”接觸, 或一個(gè)表面的“凸峰”伸入另一表面的“凹谷”中, 形成交錯(cuò). 因此, 需要找到擬合曲線的局部最大值, 并分析其高度分布規(guī)律. 擬合后曲線的局部最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)表面的“凸峰”, 局部最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)表面的“凹谷”.

在子區(qū)間[xi,xi+1] (i=0, 1, …,k-1) 內(nèi)有插值函數(shù)fi(x), 求解該函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)f′i(x)和二階導(dǎo)數(shù)f″i(x). 若該區(qū)間內(nèi)存在x*, 使得一階導(dǎo)數(shù)等于零且二階導(dǎo)數(shù)小于零, 則插值函數(shù)fi(x)在x*處取得局部最大值, 即為凸峰. 得到整條擬合曲線的所有局部最大值, 記為 (xi,yi) (i= 1, 2,m), 并假設(shè)其高度服從某種分布(如高斯分布). 根據(jù)數(shù)據(jù)集 (xi,yi) 可以求得分布函數(shù)的參數(shù), 從而確定其凸峰高度分布函數(shù).

1.3 峰頂曲率半徑

赫茲接觸理論中, 凸峰的曲率半徑與該點(diǎn)載荷、 接觸面積以及塑性變形指數(shù)等有密切關(guān)系. 因此, 需要知道每一個(gè)峰頂?shù)那拾霃? 可根據(jù)公式(3), 求解出插值函數(shù)fi(x)各個(gè)局部最高點(diǎn)的曲率半徑值,

(3)

1.4 凸峰密度

凸峰密度是指單位面積上的凸峰數(shù)目, 是GW接觸模型中計(jì)算接觸面積和載荷的關(guān)鍵參數(shù)之一. 通常可認(rèn)為表面為各向同性, 因此可以根據(jù)凸峰的線密度來(lái)推測(cè)其面密度. 尋找出整條擬合曲線的所有凸峰后, 計(jì)算單位長(zhǎng)度上的凸峰數(shù)目nl( 個(gè) / mm), 取其平方, 即獲得單位面積的凸峰數(shù)目n( 個(gè) / mm2).

2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 粗糙表面形貌測(cè)量

使用如圖2所示的Taylor Hobson Form Talysurf i120輪廓儀, 測(cè)量粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊(平磨、 外磨、 立銑、 平銑、 車(chē)削、 刨削)的表面輪廓數(shù)據(jù). 選取采樣長(zhǎng)度為5 mm, 采樣間隔為125 nm, 每個(gè)樣塊測(cè)量三次.

圖2 表面形貌測(cè)量實(shí)驗(yàn)Fig.2 Experiment for rough surfaces test

實(shí)際表面輪廓是由粗糙度、 波紋度和形狀誤差組成的[9]. 根據(jù)ISO 11562標(biāo)準(zhǔn)[10], 采用零相移高斯濾波對(duì)表面輪廓進(jìn)行處理. 高斯權(quán)函數(shù)的定義為

(4)

式中:λc是截止波長(zhǎng), 可根據(jù)ISO 4288—1996選擇;α是常數(shù), 通常取α=0.469 7.

圖3 表面輪廓曲線與高斯濾波中線Fig.3 Contour curve and Gaussian filter center line

若實(shí)際表面輪廓為z(x), 信號(hào)長(zhǎng)度為N, 高頻粗糙度信號(hào)為r(x), 低頻基準(zhǔn)信號(hào)為w(x). 通過(guò)表面輪廓z(x)與高斯權(quán)函數(shù)g(x)進(jìn)行離散卷積運(yùn)算, 將粗糙度信號(hào)r(x)從中分離出來(lái)[11].

(5)

r(x)=z(x)-w(x)

(6)

以粗糙度為Ra=0.8 μm端銑加工的標(biāo)準(zhǔn)樣塊為例. 通過(guò)高斯濾波得到的基準(zhǔn)線是一條連續(xù)曲線, 如圖3所示. 包含于原始輪廓中, 粗糙度輪廓曲線為原始輪廓線減去高斯濾波中線, 能夠比較準(zhǔn)確地反映其粗糙度特性.

2.2 表面粗糙度計(jì)算與分析

輪廓曲線高度參數(shù)用于表達(dá)一維形貌. 其最常用的是輪廓算術(shù)平均偏差Ra

(7)

式中:zi是各測(cè)試點(diǎn)相對(duì)于平均線的高度;n是測(cè)試點(diǎn)數(shù), 一般由評(píng)估長(zhǎng)度和采樣間隔來(lái)確定[10].

根據(jù)式(7)分別計(jì)算不同機(jī)加工方法下, 不同表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊的Ra值, 將得到的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較, 其結(jié)果如表1所示. 由表1可見(jiàn), 根據(jù)ISO 11562標(biāo)準(zhǔn)推薦的濾波算法和截至波長(zhǎng)λc得到的Ra實(shí)測(cè)值與標(biāo)定值誤差均在3%以內(nèi). 對(duì)比結(jié)果表明, 采樣得到的形貌數(shù)據(jù)能夠較真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際形貌.

表1 表面粗糙度實(shí)測(cè)值與標(biāo)定值比較

3 結(jié)果與討論

3.1 凸峰曲率半徑對(duì)比分析

由式(3)可知, 根據(jù)峰頂?shù)囊浑A和二階導(dǎo)數(shù)可求得該點(diǎn)的曲率半徑. 以外圓磨加工、 粗糙度Ra=0.8 μm的標(biāo)準(zhǔn)樣塊為例, 峰頂曲率半徑分布直方圖如圖4所示. 實(shí)際上每一個(gè)峰頂?shù)那拾霃讲槐M相同, 但其值往往會(huì)集中在某一值附近. 為便于計(jì)算, 在實(shí)際應(yīng)用中往往取其平均值, 即

(8)

對(duì)比了不同加工方法、 不同Ra值標(biāo)準(zhǔn)樣塊表面形貌的凸峰曲率半徑, 如圖5所示. 由圖5可見(jiàn), 采用相同加工方法, 隨著表面粗糙值的增大, 表面凸峰的平均曲率半徑也相應(yīng)增大. 如同樣是車(chē)削的加工方法,Ra為0.8和6.3 μm時(shí), 其平局曲率相差約為6倍. 其主要原因?yàn)椴捎帽砻娲植诙群饬课⒂^不平整性, 粗糙度值越大, 表面起伏越明顯, 較高凸峰上易生成較小凸峰, 根據(jù)本算法, 較高凸峰周邊的凸峰會(huì)合并為單個(gè)的新凸峰, 因此擬合得到的曲率半徑將變大, 導(dǎo)致平均曲率半徑隨著粗糙度的增加而變大. 在相同Ra值的情況下, 如同為Ra= 0.8 μm, 銑、 車(chē)和刨加工表面形貌凸峰的平均曲率分別為0.55、 0.53和0.51. 說(shuō)明加工方法對(duì)平均曲率半徑影響并不顯著.

圖4 峰頂曲率半徑直方圖(Ra=0.8 μm)Fig.4 Histogram of curvature radius for peaks(Ra=0.8 μm)

3.2 凸峰密度對(duì)比分析

計(jì)算不同加工方法、 不同Ra值的樣塊單位長(zhǎng)度上的“凸峰”數(shù), 取其平方, 得到凸峰密度. 車(chē)、 銑和刨加工, 不同Ra值標(biāo)準(zhǔn)樣塊表面形貌的凸峰密度對(duì)比如圖6所示. 隨著Ra值的增大, 離表面平均線越遠(yuǎn)的點(diǎn)更容易形成“凸峰”, 而凸峰周邊的點(diǎn)形成另一個(gè)“凸峰”的機(jī)會(huì)將更小, 因此, 三種加工方法均表現(xiàn)為, 凸峰密度都隨著Ra值的變小而增大. 在相同Ra值下比較幾種加工方法的樣件. 可以發(fā)現(xiàn): 銑削加工方法得到的凸峰密度大于車(chē)削, 車(chē)削的大于刨削的. 相對(duì)來(lái)說(shuō), 刨削加工表面的痕跡較為明顯、 車(chē)削次之、 銑削較小. 加工痕跡明顯, 意味著表面形貌的采樣點(diǎn)更容易聚集在某凸峰附近, 導(dǎo)致凸峰點(diǎn)數(shù)變少.

3.3 凸峰高度分布曲線對(duì)比分析

凸峰高度分布是指各峰頂相對(duì)于平均線的高度分布特性. 通過(guò)統(tǒng)計(jì)高度分布的直方圖, 再擬合直方圖便可得到近似的高度分布曲線. 以外圓磨加工, 粗糙度為Ra=0.8 μm的標(biāo)準(zhǔn)樣塊為例, 其凸峰高度直方圖和分布曲線如圖7所示, 凸峰高度分布曲線呈鐘型, 兩頭低, 中間高, 左右對(duì)稱, 近似于高斯分布.

圖6 不同加工方法下的表面形貌的凸峰密度Fig.6 Peaks density by different processing methods

圖7 凸峰高度直方圖與分布曲線(Ra=0.8 μm)Fig.7 Histogram and distribution curve of peaks height(Ra=0.8 μm)

為揭示粗糙度參數(shù)和加工方法對(duì)高度分布的影響, 對(duì)不同類(lèi)型的凸峰高度分布曲線進(jìn)行比較. 車(chē)削加工不同Ra值樣件的表面凸峰高度分布曲線如圖8所示, 高度分布曲線皆近似地服從高斯分布. 由于Ra值的增大, 凸峰高度分布的區(qū)間就越大, 且總的凸峰數(shù)量也越小, 因此其標(biāo)準(zhǔn)偏差也越大, 造成高度分布曲線越平坦.

不同加工方法Ra均為1.6 μm的標(biāo)準(zhǔn)樣件的表面凸峰高度分布曲線如圖9所示. 可以看到, 分布曲線均近似于高斯分布, 但不同的加工方法對(duì)應(yīng)曲線的標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)有所不同, 其標(biāo)準(zhǔn)差由小到大的次序分別為: 銑、 車(chē)、 刨. 標(biāo)準(zhǔn)差小的, 表明分布更加集中, 其加工精度更高, 工件的表面質(zhì)量更好. 與表面凸峰密度分布特點(diǎn)類(lèi)似, 相對(duì)于車(chē)與刨來(lái)說(shuō), 銑削加工方法得到的表面加工痕跡相對(duì)較不明顯, 固其凸峰高度分布曲線的標(biāo)準(zhǔn)差也相對(duì)較小.

圖8 不同Ra值的凸峰高度分布曲線Fig.8 Peak height distribution curve for different Ra

圖9 不同加工方法下的凸峰高度分布曲線Fig.9 Peak height distribution curve for different processing methods

4 結(jié)語(yǔ)

1) 基于曲線擬合理論定義凸峰的方法, 可以更快速和簡(jiǎn)便地得到粗糙表面形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù), 可應(yīng)用于粗糙表面接觸分析. 同時(shí), 本方法可以確定每個(gè)凸峰的位置、 高曲率半徑等信息, 從而避免“等半徑”和服從高度分布函數(shù)的人為假設(shè)以開(kāi)展粗糙表面接觸的數(shù)值分析.

2) 對(duì)典型加工方法得到表面的形貌統(tǒng)計(jì)參數(shù)定量分析可知, 粗糙度值對(duì)平均曲率半徑、 高度分布函數(shù)和凸峰密度的影響顯著; 粗糙度Ra值越大, 表面形貌的平均曲率半徑越大, 單位面積凸峰點(diǎn)數(shù)越少, 其輪廓高度值分布得越分散, 高度分布曲線越平緩.

3) 相同Ra值, 不同機(jī)加工表面形貌的平均曲率半徑和凸峰高度分布曲線各不相同. 總體來(lái)說(shuō), 磨削和銑削加工表面的凸峰密度相對(duì)較大, 凸峰高度分布曲線的方差相對(duì)較小, 但加工方法對(duì)平均曲率半徑影響并不顯著. 因此, 采用統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析表面接觸剛度、 接觸熱阻、 實(shí)際接觸面積以及彈塑性比等特性時(shí), 應(yīng)考慮加工方法和粗糙值的影響.

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