典型各向同性微细加工表面微观形貌分析及性能评价

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong585
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相对于常规机械加工而言,微细加工工件的几何尺寸更小、精度要求更高,表面微观形貌对于产品的表面质量、工作性能和使用寿命的影响更为显著,对加工表面的评定提出更高要求。目前关于三维粗糙度的研究,是基于对传统二维粗糙度的升级和替代,广泛关注在常规机械加工表面的应用,对于微细加工方法的关注很少,对于微细加工表面普遍存在的各向同性特征没有区分,造成了评定各向同性表面时缺乏针对性,在表面形貌表征时,出现参数缺失和参数不适用的现象。  微细电火花线切割和激光微细加工是两种常用的微细加工方法,与常规的切削和磨削加工方法不同,是将电能、光能转换成热能,作用于工件表面,达到材料去除的目的,属于热能加工范畴,加工表面具有各向同性特征。本文以这两种方法加工的表面为研究对象,对表面微观形貌的几何特征、统计特性进行分析。可以认知,微细电火花线切割表面的微观形貌是由随机分布的半球状或半椭球状凸峰和凹坑组成,表面纹理无明显的方向性,属于典型的各向同性表面。激光微细加工表面的微观形貌是由单峰、连续峰以及峰间沟槽组成,峰与槽构成了表面纹理,由于峰与峰相连的随机性、无序性,表面纹理方向无明显规律,因此也属于各向同性表面。用高斯曲率可以准确表征这两种类型表面凸峰的形貌特征,避免了目前采用的平均曲率表征各向同性表面时的不准确。  微细电火花线切割和激光微细加工表面具有多尺度性,用二维功率谱密度和分形维数可以准确分析表面微观形貌的统计特性。表面谱距分析可以看出,微细电火花线切割表面具有很好的均一性和等方性,各向同性特征明显。激光微细加工表面的均一性较差,等方性较好,这与其表面微观结构的几何特征相一致,其整体上呈现各向同性特征,但表面形貌的各向同性程度弱于微细电火花线切割表面。  微细电火花线切割和激光微细加工属于热能加工范畴,熔化凝固区和热影响区的金相组织变化是表面显微硬度和耐腐蚀性显著提高的主要因素。加工脉冲能量的增加会改善表面的显微硬度和耐腐蚀性,但达到一定峰值后,能量的增加反而会造成残余应力的变化而形成裂纹,造成显微硬度和耐腐蚀性的下降。因此,选取适当的加工参数,可以获得较好的表面物理机械性能和耐腐蚀性。  本文针对各向同性表面微观结构特征,提出了两个适合各向同性表面的表征参数:表面平均高斯曲率Sgc和分形均方根偏差Dsq。以2012版的ISO25178-2标准为基础,对幅度参数、空间参数、混合参数、特征参数以及功能参数进行筛选,排除了不适合表征各向同性表面的参数,最终确立了一个由22个参数组成的、适合于各向同性表面三维粗糙度评定的参数体系。根据对三维粗糙度参数的研究,结合影响表面性能的关键因素,建立了激光微细加工表面的完整性评价层次分析结构,计算权重比例系数,实现对激光微细加工表面的完整性评价。
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