基于三维粗糙度的多向CFRP铣削加工刀具切入角度的优化方法研究

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)因其优良的力学性能,被广泛应用于航空航天领域。CFRP的应用在保证飞机刚度强度的前提下,有效地提高了飞行性能,减轻了飞机重量,从而达到了节能减排的目的,提高了航空工业的经济效益。CFRP属于典型的难加工材料,为了保证结构件在多个方向具有一定的承载能力,航空发动机工业中一般采用CFRP多向铺层,这就使得材料的各向异性及不均匀性更为复杂。本文对CFRP单向层合板和两种CFRP多向层合板的铣削加工断裂机制进行了分析,发现CFRP铣削加工时,不同的纤维方向角对断裂机制有较大的影响从而导致了不同的表面质量。其中,弯曲断裂会导致表面质量急剧下降,应尽量避免,并且不同角度下的弯曲断裂的表面质量也具有一定差异。基于此,提出了多向CFRP铣削加工时的刀具切入角度优化方法,并通过试验验证了该方法的合理性,该方法可以有效提高某型号发动机的第一级复合材料风扇叶片的加工质量。

考虑实际接触三维粗糙度退化的软岩节理剪胀规律预测模型

为预测岩石节理的剪胀变形行为,分析了恒法向荷载作用下实际接触微凸体三维粗糙度在剪切过程中的退化规律,提出了一个适用于软岩节理的剪胀曲线预测模型。在剪切荷载作用下节理法向位移的变化是节理在三角形微凸体侧面爬坡上升行为与爬越一些微凸体顶点后闭合行为的叠加,爬坡行为与闭合行为引起的位移都正比于节理最大可能剪胀角。最大可能剪胀角退化的实质是实际接触节理微凸体平均等效倾角的退化。通过分析初始剪切与残余应力阶段的节理形貌特征,提出了计算初始最大可能剪胀角与残余应力阶段剪胀角的模型。基于软岩节理不发生突然脆性破坏的假设,进一步通过研究剪切过程中节理微凸体退化规律,量化了最大可能剪胀角的变化规律。定量了节理爬坡行为、闭合行为与最大可能剪胀角之间的关系,进而提出了节理剪胀规律预测模型,通过试验验证了模型的有效性。模型可较准确预测软岩节理的剪胀规律,并可合理描述节理初始阶段剪切压密行为。

磨削工艺参数对SiCp/Al三维粗糙度的影响

以SiCp/Al为代表的金属基复合材料,由于其内部结构的局部不均匀性,传统的二维粗糙度参数指标描述、研究此类材质试件的表面形貌具有局限性,三维粗糙度参数能更全面、细致地反映试件表面特性。文章以三维参数表征SiCp/Al试件表面,采用正交试验将磨削工艺参数与三维参数(Sa、Sq、Ssk、Sku、Sbi、Sci、Svi)之间的关系透明化、数据化,如磨削参数对三维指标的影响权重、多位三维参数的综合指标。试件表面形貌较为复杂,既有砂轮磨粒在较软的铝基体上划过产生的沟槽,也有SiC颗粒被拔出,出现的凹坑,脱落或破碎的SiC微粒随砂轮拖动而产生的划痕;由于磨削热导致铝基体熔化,存在铝基体涂抹现象。表面形貌受磨削参数变化影响较为明显,发现不同的磨削参数对三维表面形貌指标影响的权重不同,揭示了砂轮目数对指标影响最突出,随着砂轮目数增加,权重从34%开始减小到13%,主轴转速、进给速度和磨削深度开始成为显著影响因素,均从最初22%的权重逐渐增加到29%。三维参数综合评价指标对应的最优磨削加工参数组合是Am为320目,Vs为4 000 r/min, Vf为20 mm/min,ap为20μm。

旋转超声铣削碳/碳复合材料表面三维粗糙度研究

为了改善碳/碳复合材料铣削表面质量,提升其使役性能,开展了旋转超声铣削碳/碳复合材料表面粗糙度的研究。首先研究了端铣表面三维粗糙度Sa、Sq、Sku和Sdr随主轴转速、进给速度、切深和超声电流的变化规律。其次,分析了旋转超声侧铣对不同纤维切角下三维粗糙度的影响特性。最后分别从端铣和侧铣的角度讨论分析了超声振动对表面质量的改善机理。试验结果表明:施加超声场能后端铣表面粗糙度幅度参数Sa和Sq不仅降低了约20%,而且随加工参数的增加,波动性减小,变化趋势更加明显。侧铣时超声振动使得碳/碳复合材料在不同纤维切削角下的Sa和Sq减小了10%~33%。此外,旋转超声铣削表面界面扩展比Sdr在端铣和侧铣中都有较大幅度的减少,最高可达65%,有效减少了碳/碳复合材料表面的空隙和裂纹。

钢材锈蚀率与表面三维粗糙度参数的关系

通过Q235钢板在中性盐雾试验箱中178天的加速腐蚀,得到钢材不同时间下的锈蚀率与表面三维粗糙度参数,讨论了锈蚀率与三维粗糙度参数中算数平均高度(Sa)、均方根高度(Sq)、表面峰最大高度(Sp)、表面谷最大深度(Sv)、表面最大高度(Sz)、表面轮廓偏斜度(Ssk)及表面轮廓峭度(Sku)的变化规律,并对锈蚀率、时间及Sa(Sq)三者关系进行了回归分析,结果表明通过定量分析锈蚀率、时间及三维粗糙度参数之间关系能更准确地判断锈蚀钢材表面腐蚀发展程度,从而为锈蚀钢结构腐蚀过程的评价提供一种新的途径。

喷砂表面三维粗糙度参数对涂层结合强度的影响

目的揭示喷砂预处理表面三维粗糙度参数对热喷涂层结合强度的影响规律。方法以喷砂距离和喷砂速度为影响因子,对45#钢试样进行喷砂处理,采用三维光学显微镜测得各工艺参数下喷砂表面的三维形貌及三维粗糙度参数,并利用"粘接-拉伸"测试方法测得涂层的结合强度。利用回归分析方法,建立涂层结合强度与三维粗糙度参数间回归数学模型,并进一步分析三维粗糙度参数的影响机制。结果喷砂预处理表面随机分布着许多不规则形状的凸峰和凹坑,方向各异,没有固定的取向,其整体表面粗糙度S_a平均为4.84μm,涂层结合强度平均为32.8 MPa。涂层结合强度与三维粗糙度参数间存在着非线性相关关系,且S_a、S_(dr)、S_(dq)、S_q对涂层结合强度的影响较为显著。S_a和S_(dr)越大,有利于增大涂层与基体的接触面积;S_(dq)较大时,所形成的凹坑及凸峰较为尖锐,有利于为涂层机械结合提供更多的锚固点;结合界面的S_q较大时,其表面形貌以较深的凹坑为主,导致凹坑深处易形成残留气孔缺陷,降低涂层与基体间的润湿效果及结合性能。结论 S_a、S_(dr)、S_(dq)、S_q为涂层结合强度的主要影响因素,且存在非线性回归关系,各三维粗糙度参数对涂层结合强度的影响机制及趋势与回归数学模型一致。

微细电火花线切割表面三维粗糙度的结构性参数

针对微细电火花线切割加工(MWEDM)表面各向同性的三维微观形貌结构特征,引入圆形度和二阶中心矩的表征算法,更准确地描述MWEDM表面纹理的复杂程度,简化了计算过程;用高斯曲率取代平均曲率表征表面的凹凸特征,使计算不受测量方向的限制,提高了计算准确性和精度;用分水岭算法分割表面几何要素,实现表面凸峰的准确计数,精简了表征参数。经过改进之后的三维粗糙度的结构性参数,对于评定各向同性的MWEDM表面,参数更加简化,表征更加准确。

触针式三维粗糙度仪的设计

由于传统的二维粗糙度仪不能从整体上表示出零件的微观特性,而三维光学粗糙度仪只能在实验室使用,不能适应工业现场的场合。所以,在分析传统二维粗糙度仪的结构基础上,改装设计了机械式的三维粗糙度仪。提出了用最小二乘法来拟合基准面;并且根据总结的三维表征参数体系,用LabVIEW编写了一套上位机软件系统。软件能够自动的计算三维粗糙度值,并且显示出零件的三维表面形貌。最后在试验中验证了三维参数的评定方法,测试表明,这些参数能有效表征表面粗糙度,能够克服原二维参数统计性差,测量存在较大偏差的不足,更加接近真实表面。

MWEDM表面三维粗糙度的小波评定基准面

针对目前三维粗糙度小波基准面分析中,最优小波基的选择和小波分解次数的确定主要依据经验确定的问题,通过比较微细电火花线切割加工表面三维形貌的小波重构精度选择最优小波基.根据小波变换能量守恒特征,小波在分解单一信号时,其分解能量服从指数分布的方法确定三维粗糙度小波基准面的分解次数,提取出微细电火花线切割加工表面三维粗糙度小波评定基准表面.经过试验验证了这种方法的准确性,并可以推广到机械加工表面的三维粗糙度的评定中.

天然岩体结构面三维粗糙度的多尺度取样影响规律研究

基于三维激光扫描技术,在单一大尺度天然岩体结构面点云数据上开展多尺度窗口取样时,取样窗口中心位置的选取对结构面三维粗糙度的准确表征具有显著的控制作用,然而该控制机制与影响规律的研究十分匮乏。为此,以青海祁连县黄藏寺水利枢纽右岸坝址边坡大尺度天然岩体结构面为研究对象,以结构面三维激光扫描点云数据和Grasselli三维粗糙度计算方法为基础,开展了单一大尺度结构面上窗口取样中心位置对三维粗糙度多尺度特征影响与控制规律的深入研究。结果表明:窗口取样中心位置对结构面三维粗糙度的尺寸效应影响显著,取样中心位置的不同导致尺寸效应具有显著差异;同一剪切方向上结构面三维粗糙度的差异性随取样窗口尺寸的增大而减小;窗口取样中心位置对分析含结构面岩质边坡的潜在滑动方向的影响较小,当取样窗口尺寸增大到特征尺寸后,潜在滑动方向将被限定在一定角度范围,天然结构面的角度区间为110°~130°。最后基于上述研究,建立了窗口取样中心位置选取的基本原则,改进了天然大尺度结构面三维粗糙度取样方法。

基于3D扫描技术的现场混凝土三维粗糙度检测方法

混凝土结合界面的粗糙度是混凝土结构整体性的关键性因素。目前现场对于混凝土粗糙度的检测方法存在表述不全面、易受环境影响、精确度低等缺陷,故文中提出了一种基于3D扫描技术的现场混凝土三维粗糙度检测方法。室内浇筑12个具有不同粗糙度的混凝土试件,并制作对应的镜像模型,3D扫描检测两者的三维粗糙度,并对三维粗糙度指标进行误差分析,研究模型的适用性。发现混凝土试件和镜像模型的三维粗糙度指标误差基本在30%以内,故可认为镜像模型法适用于现场检测混凝土三维粗糙度指标。

微铣削表面BEMD基准面的三维粗糙度参数研究

针对二维粗糙度评价微铣削表面不够合理、全面等问题,根据微铣削表面三维微观形貌结构特征,提出了一种基于二维经验模态分解算法(BEMD)的三维粗糙度参数体系。该体系采用BEMD算法获取三维粗糙度计算的评定基准面,通过数值模拟的微铣削表面选取适用于评价微铣削表面的三维粗糙度参数。研究结果表明,BEMD基准面能够作为三维粗糙度计算的基准面;与二维粗糙度相比,所选取的9个三维粗糙度参数能够更全面准确地反映微铣削表面的微观形貌特征。

高速精密磨削18CrNiMo7-6表面三维粗糙度试验研究

为了研究高速精密磨削对渗碳淬火齿轮钢18CrNiMo7-6表面质量的影响,设计了以砂轮线速度、工作台速度、磨削深度以及砂轮粒度为变量的单因素试验。对比了磨削后表面的二维与三维粗糙度,分析了磨削参数对三维粗糙度的影响规律及影响程度,得出以下结论:三维参数较二维参数更能反映真实表面信息;砂轮线速度和砂轮粒度的提高会导致算数平均偏差Sa、均方根偏差Sq、表面峭度Sku的减小以及表面偏斜度Ssk的增大,即表面质量提高,磨削深度和工作台速度的增加会使各参数有相反的变化规律;砂轮粒度对三维粗糙度参数的影响最大,工作台速度几乎没有影响。试验高速精密磨削工艺参数的选择提供了参考。

岩体结构面三维粗糙度评价的新方法

为了获得具有明确几何意义及理论依据的岩体结构面粗糙度评价指标,结合结构面剪切破坏机制,阐明将结构面潜在接触部分作为粗糙度评价重要因素的理论依据;将结构面粗糙度评价指标与其力学性质建立联系,提出描述结构面三维粗糙程度的新参数–粗糙度指标I_(PAP)。I_(PAP)即岩体结构面的潜在接触部分在垂直于剪切方向的面的投影面积与结构面水平投影面积之比,I_(PAP)体现了结构面在剪切方向的三维几何信息,具有各向异性。基于三维激光扫描技术及Matlab编程,实现了结构面三维几何模型的建立及I_(PAP)的计算。以工程应用实例,展示I_(PAP)的计算过程;研究同一结构面不同精细程度的几何模型的I_(PAP),结果表明:基于I_(PAP)评价的结构面粗糙度具有各向异性,且同一剪切方向的结构面PAPI随其几何模型精细程度的增强而增大。对比研究PAPI与Grasselli粗糙度评价方法,结果表明基于此2种方法的粗糙度评价结果具有相似性。此外,I_(PAP)可与结构面抗剪强度建立一定联系,为结构面抗剪强度估算模型的进一步研究奠定了基础。

三维表面粗糙度对18CrNiMo7-6钢旋转弯曲疲劳寿命的影响

目的探究固定载荷下三维表面粗糙度Sa对18CrNiMo7-6钢旋转弯曲疲劳寿命的影响。方法通过砂纸研磨制备不同表面粗糙度及纹理方向的18CrNiMo7-6钢旋转弯曲疲劳试样,测量所有试样的表面粗糙度参数Sa及三维表面形貌参数Sq、Sz、Ssk、Sku。对试样进行旋转弯曲疲劳试验,分析疲劳寿命。结果在相同或相近粗糙度的情况下,轴向纹理疲劳试样疲劳寿命大于周向纹理疲劳试样疲劳寿命。相同纹理方向的情况下,表面三维粗糙度Sa越低,试样疲劳寿命越高。试样疲劳寿命次数与表面粗糙度参数Sa及三维表面形貌参数Sq、Sz、Ssk、Sku均有明显的相关性。结论对于18CrNiMo7-6钢旋转弯曲疲劳试样,拥有平行于疲劳应力的机械加工纹理比垂直于疲劳应力的机械加工纹理具有更小的危害性。降低18CrNiMo7-6试样表面粗糙度,能够有效提高试样旋转弯曲疲劳寿命。纹理方向平行于疲劳应力方向的试样,表面偏斜度Ssk对零件疲劳寿命影响不明显。

三维表面粗糙度的表征和应用

表面粗糙度会直接影响零部件的耐磨性、密封性以及抗腐蚀性等,是评定机械加工和产品质量的重要指标。现代科技水平的不断提高对零件表面性能的要求也日益严苛。传统的二维表面粗糙度的测量和表征已经不再能够满足技术发展的要求,三维表面粗糙度由于能够更加全面、真实地反映工件表面的状态而受到人们的重视,成为研究热点。本文回顾了三维表面粗糙度的发展历史,系统地介绍了三维表面粗糙度参数及标准的发展现状,分析了表面形貌与功能特性的联系,概述了三维粗糙度参数在制造业、生物医疗、摩擦学与材料科学等领域的广泛应用,并进一步指出了三维表面粗糙度表征和应用的发展方向。未来随着相关研究(比如,三维测量的溯源性、重复性、参数表征体系等问题)的深入以及三维表面测量手段的发展,三维表面粗糙度参数也将不断完善和推广,并更多地与实际功能相结合来预测并指导生产,确保工件的表面质量。

三维表面粗糙度测量方法综述

表面粗糙度测量是评估零件表面特性的重要手段。经过二十多年的发展,三维表面粗糙度逐渐成为反映工件表面特性的重要指标。本文总结并比较了接触式测量法、非接触式测量法和纳米表面粗糙度分析法中常用三维表面粗糙度的测量原理及特点。针对每种测量方法的发展现状,本文讨论了其适用范围及局限性,并指出了未来的发展方向。

基于三维粗糙度评价的结构面剪切特性研究

为了研究岩体天然结构面形貌特征对岩体结构面剪切力学特性的影响,通过岩石劈裂方法,制备了适合剪切试验的天然岩体结构面,并通过岩体结构面三维激光扫描试验获得结构面形貌的点云数据,基于二维(2D)离散小波变换将结构面三维表面形貌分离为一阶起伏度分量和二阶粗糙度分量,并提出一种改进的结构面三维粗糙度评价方法。在此基础上结合室内直剪试验,分析试验结果,指出一阶起伏度分量是岩体结构面抗剪强度的主要来源,同时建立考虑三维粗糙度评价参数的岩体结构面剪切强度模型。

表面粗糙度三维测量和评定的研究

本文论述了应用相移干涉原理测量三维表面粗糙度,给出了测量系统的组成,实现相移的微位移器件压电陶瓷应用,三维表面粗糙度评定参数的确定。

三维表面粗糙度的研究

本文介绍了三维表面粗糙度的特征参数 ,阐述了当今表面粗糙度的一些新的检测方法 ,同时编制出三维表面粗糙度特征参数的数据处理软件 ,为三维表面测量技术走向实用阶段奠定一定基础。