基于小波分析的微细电火花线切割表面三维粗糙度评定研究

摘要

微细电火花线切割加工以其非接触且容易加工高深宽比和复杂形状的微小型构件，决定了其在具有极小尺度和极高精度的微纳制造族群中不可替代的优势地位。然而，到目前为止，对其表面质量的评定还是以二维粗糙度的幅度参数为主，辅以混合参数。由于微细电火花线切割加工表面属于各向同性类型，二维粗糙度对这类表面的评定精度很低，微细电火花线切割表面结构的空间分布特性，决定了只有在三维范围内才能精确表征表面粗糙度。目前国内外学者对微细电火花线切割表面质量的研究主要集中在表面物理性能及与放电参数的关系上，对三维粗糙度研究的很少，对评定三维粗糙度的基础——表面微观形貌的构造和整体几何形态还没有做过深入系统的研究。为此，本文通过扫描探针显微镜测量微细电火花线切割表面微观三维形貌，对其统计特征、表面结构成分的频谱分布和表面三维粗糙度评定进行研究。
　　首先，采用数学形态学分解表面结构，提取表面凸峰，研究凸峰几何形态及变化规律;通过随机理论建立微细电火花线切割表面高度和轮廓高度的累积概率分布直方图，表明微细电火花线切割表面近似服从高斯分布;采用功率谱密度函数研究微细电火花线切割表面频谱特征，结果显示，微细电火花线切割加工表面属于各向同性表面，并用表面谱矩定量描述了表面的等方向、高度均一性和斜率均一性，与外圆磨削表面相比，微细电火花线切割表面具有较好的高度均一性和斜率均一性。
　　用小波分析方法提取微细电火花线切割表面三维粗糙度评定基准面。由于正交小波能量守恒的特点，选用正交小波作为基准面提取的小波滤波器。通过对测量表面三维形貌的小波重构误差确定sym5小波为微细电火花线切割表面基准面提取的最优小波基;通过小波分解各层信号能量呈指数变化的规律，确定基准面提取的小波分解次数。并把小波评定基准与传统滤波确定基准做了对比分析，得出小波评定基准面从表面结构的形成原因分离粗糙度信号，没有逼近误差，且不依赖于评定面积的大小。
　　从表面结构特征与功能特性共5个方面研究微细电火花线切割表面三维粗糙度评定参数。通过数值模拟微细电火花线切割表面磨损过程中形貌变化，分析幅度统计参数随磨损过程的变化规律，确定了磨合期表面的高度区间;赋予高度分布形状参数在微细电火花线切割表面评定中新的表征意义。改进了三维粗糙度空间参数的算法，直接通过二维自相关函数表征表面纹理特征，用微细电火花线切割表面二维自相关谱主截面的圆度表征表面纹理的复杂程度，以主截面最大半径方向计算表面纹理主方向。基于微分几何学的曲面论的思想，改进了混合参数中曲率的算法，并结合微细电火花线切割表面粗糙度结构特征，提出一个新的表征参数:表面凸峰的高斯曲率Sgc。通过研究不同加工能量的微细电火花线切割表面支撑率曲线，结合数值模拟表面磨损过程的结果，确定以支撑率的10％和80％所对应的支撑高度作为表面功能区域的两个分界值，与支撑率曲线一起把表面分为四个功能区域，以体积参数为主建立了9个三维粗糙度的功能参数。用分水岭分割法确定表面峰的数目，再此基础上建立了4个三维粗糙度的特征参数。最终提出22个三维粗糙度参数完成对微细电火花线切割表面的综合评定。
　　规范了微细电火花线切割表面三维粗糙度评定的10个术语及其定义、4个几何要素、4个典型算法、11个图形表征。探索性研究了微细电火花线切割加工表面三维粗糙度评定的取样面积和评定面积，建议对微细电火花线切割加工表面三维粗糙度用圆形取样面积和方形评定面积，每个取样面积内至少包含3个峰或坑特征，根据所测量表面的粗糙程度，每个评定面积中在其边长或对角线范围内至少包含5个取样面积。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 电火花加工表面微观形貌研究现状

1．3 国内外关于表面三维粗糙度评定的研究现状

1．3．1 表面三维粗糙度评定方法

1．3．2 三维粗糙度评定参数研究

1．4 课题来源和研究的目的及意义

1．5 本课题的主要研究内容

第2章 微细电火花线切割表面微观形貌特性研究

2．1 引言

2．2 微细电火花线切割加工实验

2．3 微细电火花线切割表面微观形貌特征

2．4 微细电火花线切割表面微观形貌统计特性

2．4．1 微细电火花线切割表面功率谱密度

2．4．2 微细电火花线切割表面谱距特征

2．4．3 微细电火花线切割表面的等方性与均一性

2．5 本章小结

第3章 微细电火花线切割表面粗糙度小波评定基准研究

3．1 引言

3．2 微细电火花线切割表面粗糙度的数学模型

3．3 微细电火花线切割表面粗糙度的三维频谱模型

3．4 三维粗糙度基准面小波提取的数学模型

3．5 三维粗糙度的小波评定基准面

3．5．1 常用的小波基函数分析

3．5．2 最优小波基的确定

3．5．3 基准面提取的小波分解次数的确定

3．5．4 表面小波基准面提取与三维粗糙度的分离

3．6 小波评定基准的优越性

3．7 本章小结

第4章 微细电火花线切割表面三维粗糙度评定参数研究

4．1 引言

4．2 幅度参数

4．2．1 评定参数

4．2．2 表面高度分布的统计参数的稳健性

4．2．3 表面高度分布的形状参数新的表征意义

4．3 空间参数

4．3．1 评定参数

4．3．2 空间参数对各向同性表面评定的不足

4．3．3 用圆度和二阶中心矩算法改进空间参数

4．4 混合参数

4．4．1 评定参数

4．4．2 微细电火花线切割表面混合参数的评定精度

4．4．3 用高斯曲率表征微细电火花线切割表面峰的结构特征

4．5 功能参数

4．5．1 评定参数

4．5．2 微细电火花线切割表面功能区域的划分

4．5．3 微细电火花线切割表面功能参数

4．6 特征参数

4．6．1 评定参数

4．6．2 用分水岭算法确定微细电火花线切割表面峰的数目

4．6．3 微细电火花线切割表面特征参数

4．7 本章小结

第5章 微细电火花线切割表面三维粗糙度评定体系研究

5．1 引言

5．2 微细电火花线切割表面术语、定义及几何要素

5．3 微细电火花线切割加工表面三维粗糙度评定参数

5．3．1 幅度参数

5．3．2 空间参数

5．3．3 混合参数

5．3．4 功能参数

5．3．5 特征参数

5．4 与其他三维粗糙评定参数体系的比较

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢