本發(fā)明屬于超精密切削技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法。

背景技術(shù)：

超精密切削技術(shù)通常是利用超精密機(jī)床和單點(diǎn)金剛石刀具對(duì)材料進(jìn)行加工，不同于傳統(tǒng)切削，在單點(diǎn)金剛石切削過(guò)程中，由于切削深度極小，可以被視為是具有一定刃口半徑的鈍圓刀具切削過(guò)程，因此通常加工后表面質(zhì)量高，表面粗糙度可達(dá)幾十納米甚至幾納米，加工表面容易達(dá)到鏡面效果；另一方面，在單點(diǎn)金剛石切削過(guò)程中，切削深度一般為微米級(jí)，切削過(guò)程基本上在材料微觀組織內(nèi)部進(jìn)行，從微觀組織角度來(lái)看，工件材料通常被視為是由離散的微觀組織所組成的，將會(huì)進(jìn)一步引起切削力的波動(dòng)并影響最終已加工表面形貌的生成，容易產(chǎn)生特征微觀形貌。

計(jì)算表面粗糙度是對(duì)表面形貌進(jìn)行表征的一種傳統(tǒng)方法，實(shí)驗(yàn)表明，單點(diǎn)金剛石切削表面粗糙度容易達(dá)到納米級(jí)，當(dāng)粗糙度相同的情況下，加工表面之間仍會(huì)表現(xiàn)出迥然不同的微觀形貌，例如刀痕、微小劃痕、表面浮凸等。特別地，對(duì)于塑性較好的材料，表面晶界處易產(chǎn)生浮凸現(xiàn)象，晶界的浮凸高度一般為納米級(jí)，因此當(dāng)表面粗糙度同為納米級(jí)時(shí)，僅僅用粗糙度的方法將無(wú)法有效地表征表面微觀形貌特征。

如圖1所示，當(dāng)使用單點(diǎn)金剛石切削無(wú)氧銅時(shí)，根據(jù)切削參數(shù)的不同會(huì)得到三種不同的表面，三種表面分別表現(xiàn)為：圖1(a)既含有淺刀痕又含有晶界浮凸現(xiàn)象，其橫截面輪廓線如圖2、圖1(b)只含有淺刀痕、圖1(c)只含有深刀痕；其中能出現(xiàn)晶界浮凸現(xiàn)象的切削參數(shù)一般為：主軸轉(zhuǎn)速1000～1200r/min，切深1～5um，進(jìn)給速度1～2mm/min；三個(gè)表面的粗糙度分別為11.0nm、10.9nm、40.5nm。圖1(a)與圖1(b)表面粗糙度十分接近，但兩個(gè)表面中只有圖1(a)表面存在明顯的晶界浮凸，因此用粗糙度無(wú)法有效表征晶界浮凸現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明公開一種能夠有效表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，能夠有效識(shí)別晶界浮凸特點(diǎn)，定量地反映微觀尺度下超精加工表面的形貌特征信息，解決了當(dāng)超精密切削表面同時(shí)存在加工刀痕與晶界浮凸信息時(shí)，傳統(tǒng)的粗糙度測(cè)量無(wú)法區(qū)分其差異的問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，在超精密切削表面上截取輪廓線，在獲取到的橫截面輪廓曲線圖上，使用尺碼法計(jì)算分形維數(shù)，來(lái)區(qū)分超精密加工后表面是刀痕還是晶界浮凸。

進(jìn)一步的，所述尺碼法步驟為：

(101)選定尺碼以分規(guī)方式沿著輪廓曲線測(cè)量，保持尺碼分規(guī)兩端的落點(diǎn)始終在輪廓曲線上，如此測(cè)量全部曲線后，所得曲線長(zhǎng)度就是選定尺碼與分規(guī)度量步數(shù)之積；

(102)選擇n個(gè)尺碼r_i(_i＝1，2，…，n)測(cè)量表面輪廓曲線，每個(gè)尺碼測(cè)得的曲線長(zhǎng)度為L(zhǎng)_i，得到一組數(shù)據(jù)[r₁ L₁]，[r₂ L₂]，…，[r_n L_n]；

(103)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中以最小二乘法原理進(jìn)行尺碼和曲線長(zhǎng)度兩參數(shù)的直線回歸，根據(jù)回歸直線的斜率得到輪廓曲線的維數(shù)值。

進(jìn)一步的，所述尺碼法耦合帶阻濾波方法，先利用帶阻濾波有效降低切削刀痕信號(hào)干擾、突出晶界浮凸信息；濾波后再計(jì)算分形維數(shù)。

更進(jìn)一步的，所述帶阻濾波的方法為：

(201)根據(jù)切削參數(shù)設(shè)定截止頻率范圍，選擇截止頻率對(duì)橫截面輪廓曲線的信息進(jìn)行濾波；

(202)判斷濾波后刀痕信息是否減弱，未減弱則返回步驟(201)，減弱則濾波結(jié)束。

再進(jìn)一步的，所述截止頻率的設(shè)定方法為：

(301)根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn)給速度，計(jì)算刀痕的理論間距；

(302)根據(jù)刀痕的理論間距和刀具進(jìn)給速度，計(jì)算刀痕的理論周期；

(303)根據(jù)刀痕的理論周期得到刀痕的固有頻率；

(304)考慮實(shí)際加工過(guò)程引入的干擾，將截止頻率范圍擴(kuò)大為刀痕的固有頻率的5倍。

更優(yōu)選的，在截止頻率范圍內(nèi)進(jìn)行3次帶阻濾波。

更進(jìn)一步的，所述帶阻濾波通過(guò)LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的表征超精密切削表面晶界浮凸的新方法，具有以下優(yōu)勢(shì)：本發(fā)明解決了當(dāng)超精密切削材料表面同時(shí)存在加工刀痕與晶界浮凸信息時(shí)，傳統(tǒng)的粗糙度測(cè)量無(wú)法區(qū)分其差異的問(wèn)題。本發(fā)明耦合了帶阻濾波方法和分形維數(shù)概念中的尺碼法。利用帶阻濾波能有效降低切削刀痕信號(hào)干擾、突出晶界浮凸信息，而分形維數(shù)概念中尺碼法又能有效表示表面輪廓的曲折程度，本發(fā)明能夠有效識(shí)別晶界浮凸特點(diǎn)，定量地反映微觀尺度下超精加工表面的形貌特征信息。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為超精密切削得到的三種表面。

圖2為橫截面輪廓曲線圖。

圖3為尺碼法測(cè)量原理圖。

圖4為尺碼法直線回歸圖。

圖5為濾波流程圖。

圖6為三種表面橫截面輪廓濾波前后信號(hào)圖。

具體實(shí)施方式

需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

當(dāng)使用單點(diǎn)金剛石切削無(wú)氧銅時(shí)，根據(jù)切削參數(shù)的不同會(huì)得到三種不同的表面，如圖1所示，三種表面分別表現(xiàn)為：圖1(a)既含有淺刀痕又含有晶界浮凸現(xiàn)象，其橫截面輪廓線如圖2、圖1(b)只含有淺刀痕、圖1(c)只含有深刀痕；其中能出現(xiàn)晶界浮凸現(xiàn)象的切削參數(shù)一般為：主軸轉(zhuǎn)速1000～1200r/min，切深1～5um，進(jìn)給速度1～2mm/min；三個(gè)表面的粗糙度分別為11.0nm、10.9nm、40.5nm。圖1(a)與圖1(b)表面粗糙度十分接近，但兩個(gè)表面中只有圖1(a)表面存在明顯的晶界浮凸，因此用粗糙度無(wú)法有效表征晶界浮凸現(xiàn)象。

本發(fā)明的目的是當(dāng)超精密切削表面出現(xiàn)刀痕與晶界浮凸現(xiàn)象時(shí)，粗糙度無(wú)法區(qū)別兩者差異的問(wèn)題。

如圖2所示，在超精密切削表面上截取輪廓線，獲取到橫截面輪廓曲線圖，選定尺碼以分規(guī)方式沿著輪廓曲線測(cè)量，保持尺碼分規(guī)兩端的落點(diǎn)始終在輪廓曲線上，如圖3所示，如此測(cè)量全部曲線后，所得曲線長(zhǎng)度就是選定尺碼與分規(guī)度量步數(shù)之積。選擇n個(gè)尺碼r_i(i＝1，2，…，n)測(cè)量表面輪廓曲線，每個(gè)尺碼測(cè)得的曲線長(zhǎng)度為L(zhǎng)_i，因此得到一組數(shù)據(jù)[r₁L₁]，[r₂ L₂]，…，[r_n L_n]。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中以最小二乘法原理進(jìn)行尺碼和曲線長(zhǎng)度兩參數(shù)的直線回歸，根據(jù)回歸直線的斜率就可以得到輪廓曲線的維數(shù)值，如圖4所示。輪廓曲線的分形維數(shù)是D＝1-K，1<D<2，其中K是回歸直線的斜率。

根據(jù)尺碼法的定義，計(jì)算圖3晶界浮凸模型的分形維數(shù)，直線回歸斜率為-0.218，因此分形維數(shù)值為1.218。

觀察切削表面，發(fā)現(xiàn)刀痕的信息呈縱向規(guī)律性分布，但由于刀痕高度與晶界浮凸的高度均在納米級(jí)，因此晶界浮凸的表征容易受到刀痕的影響。刀痕信息與切削參數(shù)有關(guān)，理論上刀痕的固有頻率范圍較窄，而晶界浮凸的信息較復(fù)雜，頻帶較寬，因此進(jìn)行適當(dāng)?shù)膸ё铻V波，可減弱刀痕，從而盡可能地突出晶界浮凸的信息。同時(shí)考慮實(shí)際切削過(guò)程中系統(tǒng)和隨機(jī)振動(dòng)的存在，刀痕頻帶也會(huì)變得復(fù)雜，為此進(jìn)行多次帶阻濾波，一般3次濾波便能找到良好的濾波效果，再進(jìn)行維數(shù)的計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果更能反應(yīng)晶界浮凸的分形維數(shù)值。濾波流程圖如圖5所示。

其中，濾波截止頻率取決于切削參數(shù)。刀痕的理論間距、刀痕的理論周期和固有頻率分別為：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{V_f}{V_s}---\left(1\right)$

$T=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{V_f}---\left(2\right)$

$f=\frac{1}{T}---\left(3\right)$

式(1)中λ為相鄰刀痕的間距，V_s為主軸轉(zhuǎn)速，V_f為刀具進(jìn)給速度。以一組能產(chǎn)生晶界浮凸的切削參數(shù)為例：主軸轉(zhuǎn)速1200r/min，切深1um，進(jìn)給速度2mm/min，可以得到刀痕頻率為20Hz，考慮到機(jī)床內(nèi)部和外界的振動(dòng)等干擾信息，因此實(shí)際濾波過(guò)程將截止頻率范圍擴(kuò)大5倍，即濾波頻帶范圍擴(kuò)大到1Hz～100Hz范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)劃分頻段進(jìn)行3次帶阻濾波。

基于LabVIEW軟件編程，設(shè)計(jì)對(duì)橫截面輪廓的帶阻濾波程序，在三種切削表面上截取輪廓線，使得其粗糙度分別等于所在平面的粗糙度，濾波效果如圖6和表1、表2所示，發(fā)現(xiàn)晶界浮凸信號(hào)相對(duì)突顯，濾波后淺刀痕與深刀痕的信號(hào)均減弱了，整個(gè)輪廓變得更平坦光滑。

表1濾波結(jié)果數(shù)據(jù)

表2輪廓分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果

綜上所述，粗糙度相近的兩個(gè)表面，即一個(gè)有晶界浮凸，一個(gè)有淺刀痕，使用本發(fā)明專利的方法，經(jīng)過(guò)濾波后計(jì)算得到的分形維數(shù)，前者大，后者小，且差別比粗糙度的差別更容易區(qū)分。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。