切削加工表面分形机理的研究

工程粗糙表面的微观形貌具有统计的自相似分形特性 ,本文明确给出了其重要的分形指标—分维数的物理含义 ,并将表面的分形研究从理论上和实际上深入到机械加工工艺过程中去 ,以磨削为例 ,建立起有关磨削参数与磨削表面分形参数之间关系的理论模型 ,为在磨削加工中 ,通过控制有关磨削参数和磨削条件 ,以达到最优维数打下了理论基础。本论文的研究可望在提高工程表面的使用性能以及降低加工成本等方面发挥较大的作用。     

超声磨削加工表面分形维数计算方法

基于盒维数法、差分盒维数法、结构函数法,用MATLAB模拟出已知分形维数的理论分形曲面,对其进行分形维数的计算,并计算其误差,结果表明:盒维数法的计算结果误差最小,可确定超声磨削加工表面分形维数的计算方法,为超声磨削加工表面形貌的特征分析奠定理论基础.     

蓝宝石单晶精密磨削表面形貌的分形行为研究

如何合理有效地评价光学晶体微结构表面质量,是目前光学元件精密制造与应用领域面临的重要问题。基于分形理论,采用三维和二维盒计数方法对蓝宝石单晶磨削表面形貌进行了分析,结果表明磨削表面的三维分形维数Ds与表面粗糙度呈反比关系,而且三维分形维数越高表面纹理越精细,三维分形维数越低表面缺陷越多。磨削表面截面轮廓的二维分形维数DL分布规律可以反映材料去除方式的变化。当二维分形维数DL沿磨削方向呈强对称分布时,该磨削表面为延性域去除;若呈弱对称性或不规则分布,则该磨削表面为脆性域去除。研究证实了分形方法不仅可用于综合表征蓝宝石磨削表面形貌,还可用于揭示蓝宝石磨削表面的材料去除机理。     

表面微观形貌参数尺度独立性的研究

表面微观形貌的表征主要采用传统粗糙度参数和分形参数等多种参数综合描述,尺度独立性是衡量表面形貌表征参数的重要指标。研究了传统粗糙度评定参数和分形维数等表面微观形貌表征参数的尺度独立性。以准分子激光加工,平磨、外圆磨、研磨等磨削机加工表面轮廓为对象,分析了取样长度和采样间距对传统粗糙度参数和分形维数的影响。结果表明,传统粗糙度参数受取样长度和采样间距影响较大,而分形参数与尺度独立性的相关性与加工方法有关系,微细加工表面微观形貌受取样长度和采样间距的影响比机加工表面要小,准分子激光等微细加工表面的分形参数具有尺度独立性。     

摩擦副表面微观动压效应集成、传递及影响的研究

为探讨摩擦副表面微观几何形貌的影响,基于试验数据的分析,利用分形几何理论和FLUENT等软件,分析和仿真模拟了磨削加工与电化学光整加工的表面微观几何形貌对动压效应的影响。结果表明：与磨削加工相比,电化学光整加工借助对表面微观几何形貌的改形,提高其规则化程度来改变微观动压效应的强弱分布;微观动压效应集成的结果形成膜压分布不均的压力场,而传递使压力场具有波动特性,形成压力波;与磨削加工相比,电化学光整加工的表面具有强化动压效应、改善压力场的波动及其稳定性的能力,可实现减阻、降磨及减振,有利于提高摩擦副的使用性能。     

齿轮齿面的分形模拟

任何加工精度下的齿轮齿面都不会是绝对光滑的,而是有粗糙度的,对于磨削加工的齿轮齿面而言,表面粗糙度在加工纹理的方向和垂直于加工纹理的方向是异性的。而目前基于W-M函数分形模拟的二维粗糙表面轮廓曲线和三维粗糙表面都是针对于各向同性的表面,因此提出利用两个WM函数叠加来分形模拟各向异性齿轮齿面的方法。模拟结果表明,此方法可以很好地模拟两个方向具有不同分形维数和特征尺度系数的粗糙表面,通过改变分形维数和特征尺度系数可以有效控制齿轮齿面的纹理。     

旋转超声磨削加工建模与仿真研究

旋转超声磨削加工结合超声加工和磨削加工的技术优势，在难加工零件的精密制造中具有较大应用潜力。根据旋转超声磨削加工机理，建立旋转超声磨削加工中材料去除体积和加工表面粗糙度的数值计算模型。基于MATLAB软件编写旋转超声磨削加工仿真程序，对材料去除体积、加工表面形貌和表面粗糙度进行仿真模拟，并探究不同加工参数对表面粗糙度和材料去除体积的影响规律。仿真结果表明：主轴转速与超声振动频率之比(n/f)对加工表面形貌和去除体积有决定性影响，n/f比值增大能够有效降低表面粗糙度和提升材料去除体积；详细探讨了磨粒直径、振幅等参数对旋转超声磨削加工表面形貌和去除体积的影响规律，并仿真模拟了参数优化前后的加工表面形貌。     

精加工表面的分形特征研究

利用触针式轮廓仪和数据采集系统对精车和平磨加工表面的轮廓曲线进行了测量,并基于分形几何理论,分析和讨论了不同工艺参地表面分形维数Ｄ和轮廓算术平均偏差Ｒａ的影响。研究结果表明：Ｄ与Ｒａ反映了表面质量的不同同,它们之间有一定的对应关系,但并不是线性的;对于同种材料,磨削加工的Ｄ值比车削时要大：对于同种加工方法,碳钢材料的Ｄ值比铸铁要大;分形维数有可能揭示材料的可加工性。     

用散射光测量光滑金属表面的粗糙度

光滑表面散射光的角度分布包含了表面的粗糙度信息，即散射光的分布与粗糙度的均方根值Ｒｑ和自相关长度１值有关。本文用半导体激光器测量了金属表面散射光在入射平面的角度分布。用最佳曲线拟合法计算出表面粗糙度的均方根值Ｒｑ和自相关长度１。     

分形表征机加工表面有效性的方均根测度方法

为阐明方均根测度方法表征机加工表面的有效性,以结构函数测度方法为比较对象,对车削、铣削、磨削及砂纸打磨等不同加工表面进行了分形表征。研究表明,方均根测度方法的分形表征无标度区间宽,表征曲线线性度好,因而分形计算精度高;对采样频率的依赖性小,在计算过程中不会造成分形对象的信息丢失,因而分形表征的客观性好。另外,方均根测度方法还具有物理意义明确,分形表征简单直观等优点。方均根测度方法是机加工表面分形表征的一种较有效的方法。     

Fractal characteristics and microstructure evolution of magnetron sputtering Cu thin films

How to describe surface morphology characteristic and microstructure evolution are the hottest researches of current thin film researches.But in traditional characterization of surface morphology,the roughness parameters are scale related.And the microstructure evolution of thin film during post-treatment is usually not considered in detail.To give a better understanding of the roughness of thin films topography,fractal method is carried out.In addition,microstructure evolution of thin films is analyzed based on the crystallography and energy theory.Cu thin films are deposited on Si(100) substrates by magnetron sputtering,and then annealed at different temperatures.Surface topography is characterized by atomic force microscope(AFM).Triangular prism surface area(TPSA) algorithm is used to calculate the fractal dimension of the AFM images.Apparent scale effect exists between the surface morphology roughness and film thickness.Relationship between the fractal dimension and roughness is analyzed by linear regression method and linear relationship exists between fractal dimension and surface roughness root mean square(RMS).Fractal dimension can be characterized as a scale independence parameter to represent the complex degree and roughness level of surface.With the increase of annealing temperature,surface roughness and fractal dimension decrease.But when the annealing temperature exceeds the recrystallization temperature,due to the agglomeration and coalescence of Cu grain,surface roughness and fractal dimension increase.Scale effect and changing regularity of grain growth and shape evolution for different film thickness under different annealing temperatures are analyzed.Based on minimum total free energy,regularity of grain growth and changing is proposed.The proposed research has some theory significance and applicative value of Cu interconnect process and development of MEMS.     

基体表面的分数维对电弧喷涂层结合强度的影响

研究了不同喷砂角度下２０钢基体表面的粗糙度和分数维的变化及其对电弧喷涂层结合强度的影响,结果发现,不同角度喷砂处理对２０钢基体表面的平均粗糙度影响不大,而基体表面的分数维则受喷砂角度的影响。并且存在一个最优喷砂角度,此时基体表面形貌的分数维最大,电弧喷涂层的结合强度值也最大。     

Surface characterisation by parameter-based technique, slicing method and PSD analysis

An effort has been made to compare the capability and results of three different surface roughness characterisation methods (parameter-based technique, slicing method and power spectral density analysis). Although all of these surface characterisation techniques are well-known such a comparison has not been made yet. It was found that 3D surface roughness parameters widely used in practice do not show any correlation with the surface finishing technique applied because of the inhomogenity of investigated surfaces. Contrary to this, based on parameters provided by the slicing method, such as width and orientation of asperities, ratio of major and minor axis of asperities, the different surface finishing techniques can be distinguished clearly. Additionally, it was found that the different machining technologies cannot be properly separated, in every case, by the fractal dimension. In other words, fractal dimensions may be very similar even if they belong to two different surface finishing techniques.     

多尺度粗糙度对波导传输性能的影响

文中针对波导内壁存在的粗糙度对波导传输性能的影响问题进行了建模、仿真研究。首先,基于改进的二维分形函数,建立了波导内壁粗糙度的多尺度数学模型。基于此模型,以数值积分和有限元法为数学工具,分别推导出了考虑粗糙度影响的波导内壁局部和整体的功率损耗公式。作为对理论结果的验证,进行了一个针对矩形波导的仿真实验。分别将二维分形函数、多尺度粗糙度模型和三角波作为粗糙度的模拟函数,将得到的功率损耗结果与用经典文献中提供的计算方法得到的结果进行对比,结果表明本文所建立的多尺度粗糙度模型的结果在高频时更接近经典文献数据。随后,又对多尺度粗糙度模型的两个主要参数对功率损耗的影响程度进行了对比,结果显示粗糙度表面密度对功率损耗的影响较小,而分维数的影响较大。随着表面粗糙度均方根值的增大,功率损耗的比值也逐渐增加,最大值可达光滑表面功率损耗的1.8倍。     

PEEK不同表面粗糙度与分形维数关系研究

为探究PEEK不同表面粗糙度与分形维数之间的关系,在触针式表面轮廓仪上测量PEEK不同表面的粗糙度并采集了其轮廓曲线和数据。运用分形理论随机过程的结构函数方法,分析轮廓曲线的分形特征,并计算出不同表面粗糙度的分形维数。利用SPSS统计软件对粗糙度和分形维数关系进行拟合并得到最佳的拟合模型。结果表明:分维可以作为一个独立的表征参量来表征粗糙表面的复杂程度和粗糙度水平;PEEK的分形维数与粗糙度存在单调递减的关系,粗糙度数值越大,分形维数值越小;通过分形维数值与粗糙度之间的关系式,在一定范围内,可以通过粗糙度值计算得出分形维数值。     

基于分形理论的玻璃切削力和表面粗糙度研究

基于分形理论研究了玻璃切削时不同切削参数对切削力及其分形维数以及表面粗糙度的影响。试验结果表明:切削力分形维数与玻璃切削过程的四个阶段密切相关,如玻璃切削过程以某一阶段(如大块破碎)为主,则切削力分形维数越小,表面粗糙度越大;如切削过程包含多个阶段,则切削力分形维数越大,表面粗糙度越大。     

过盈配合单向分形界面微观接触面积研究

通过对模拟压缩机叶轮和轴过盈配合的试件表面轮廓进行分析,发现切削加工的粗糙配合表面具有单向粗糙度特征,同时垂直加工纹理方向的表面轮廓具有明显分形特性。基于M-B分形接触的修正模型,建立了具有单向粗糙度分形特征表面的理论接触模型,推导出接触面积与法向载荷的函数关系式。结合真实粗糙表面,建立了具有分形特性的单向粗糙度实体模型,利用有限元分析软件对实体模型进行了仿真分析,验证了接触面积与法向载荷函数关系的正确性。     

柱塞副微观表面对间隙油膜压力的影响

根据分形理论中的W-M函数建立柱塞与缸体孔表面三维形貌数学模型,并利用MATLAB软件编写程序,分析分形维数对表面微观形貌的影响。将柱塞副间隙油膜沿轴向展成平面,建立油膜厚度及压力分布计算模型,采用有限体积法求解二维雷诺方程,分析粗糙度对柱塞副间隙油膜压力分布的影响。结果表明:随着分形维数的增加,柱塞表面粗糙度呈增加趋势,且表面粗糙度越大,压力峰值越大。     

拉杆转子轮盘结合面切向接触刚度试验研究

运用分形接触理论,分析得到了轮盘结合面切向刚度模型,通过轮盘表面材料性能参数、拉杆转子法向载荷、切向载荷及轮盘表面的分形参数来得到轮盘结合面的切向接触刚度,对其变化规律进行数值仿真,并通过试验进行验证。研究结果表明:在定性理论模型上,分形接触理论是正确的,但分形理论有其适用范围,适用于粗糙度较小、拉杆转子法向载荷较大的模型;在试验方面很好地补充了分形接触理论的适用环境。     

Effects of adsorption and roughness upon the collision processes at the convertor surface of a plasma sputter negative ion source

Atomic collision processes associated with surface production of negative hydrogen ions (H(-)) by particle reflection at molybdenum surface immersed in hydrogen plasma have been investigated. To calculate sputtering yields of Cs, as well as energy spectra and angular distributions of reflected hydrogen atoms from molybdenum surface by H(+) ion and Cs(+) ion bombardments, a Monte Carlo simulation code ACAT (Atomic Collision in Amorphous Target) was run with the corresponding surface conditions. A fractal surface model has been developed and adopted to ACAT for evaluating the effect due to roughness of target material. The results obtained with ACAT have indicated that the retention of hydrogen atoms leads to the reduction in sputtering yields of Cs, and the surface roughness does largely affect the sputtering yields of Cs.