不同材料的准分子激光微细加工机制

采用准分子激光加工方法,在相同的工艺参数下加工了Al2O3陶瓷、不锈钢、Q235等脆性和塑性材料。通过扫描电子显微镜(SEM)获得加工表面微观形貌图像和采用表面轮廓仪测得形貌统计参数。分析得出,准分子激光的加工机理是光化学和热效应作用等多种因素影响的综合体现;加工不同材质的材料时,准分子激光具有不同的加工机制,对于脆性材料以光解剥离(APD)为主,而对于塑性材料则以热效应为主。     

准分子激光加工工艺参数与修饰表面形貌参数的关系

表面微观形貌修饰是改善和控制表面微摩擦性能的一种方法。采用准分子激光表面形貌修饰技术在A l2O3陶瓷材料表面构建微观形貌,通过改变准分子激光加工工艺参数,探讨了准分子激光加工表面形貌参数(包括粗糙度参数和分形参数)与加工工艺参数的相关关系。研究表明:准分子加工工艺参数与表面形貌参数之间存在相关性,轮廓高度算术平均值、轮廓高度均方根值、坡度均方根值和分形维数与激光能量密度成正比,承载量系数与激光能量密度成反比;随着激光能量密度的增大,表面形貌的起伏程度和致密程度增大、陡峭程度有细微的变化、承载面积比减小。     

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。     

准分子激光加工表面微观形貌测量和数据处理方法研究

用紫外波长为 λ=2 4 8nm的准分子激光器 ,分辨率为 5 0 nm的精密微动工作台及其控制器 ,在一定的工艺参数下 ,对 Al2 O3陶瓷、不锈钢等材料表面分别进行准分子激光加工 ,构建准分子激光加工表面微观形貌。对加工表面的几何形貌分别采用扫描电子显微镜 ( SEM)、表面形貌仪进行测量 ,并通过对 SEM图像的 3维数字化处理 ,得出表面 3维形貌图。同时用Mat L ab处理表面形貌仪的测量数据和计算表面形貌统计参数。     

分形维数与铣削参数的模型关联及验证

基于工程粗糙表面的微观形貌具有统计自相似分形特征,将分形几何学运用于金属材料表面形貌研究。粗糙表面的分形参数与加工条件密切相关。铣削加工过程中,切削参数会影响表面分形维数和表面粗糙度,考察了分形维数和传统表面粗糙度参数之间的关系,分别建立铣削参数与表面分形维数和表面粗糙度之间关系模型,并采用实验进行验证。实验结果表明,铣削加工表面具有分形特征;铣削表面分形维数D基本不随切削速度增加而变化,但表面粗糙度Ra会随切削速度的增加而减小;表面粗糙度与加工进给量成正相关,分形维数先增大后减小,并存在临界点;分形维数D与表面粗糙度Ra呈幂指数关系;所建立模型合理。相关研究结果可以为提高工程表面的使用性能及降低成本提供参考。     

PEEK摩擦信号分形维数与表面形貌相关性试验研究

为研究聚醚醚酮树脂/球墨铸铁摩擦副磨合初期摩擦信号分形维数与聚醚醚酮初始表面形貌分形维数的相关性,在UMT-3MT摩擦磨损试验机上对聚醚醚酮树脂/球墨铸铁摩擦副进行了摩擦磨损试验,运用结构函数测度法对初始表面形貌、摩擦力信号、摩擦因数信号进行了分形表征,计算得到了不同载荷下的分形维数。研究结果表明,聚醚醚酮初始表面和摩擦信号均具有显著的分形特征;在相同速度、相同初始表面下,摩擦信号的分形维数随着载荷的增大而增大;在相同速度、不同载荷下,磨合初期摩擦信号的分形维数均与初始表面分形维数负相关。     

基于新一代产品几何技术规范的三维表面形貌参数不确定度

研究了基于新一代产品几何技术规范的三维表面形貌参数表征的不确定度,以WM分形函数模拟机加工表面三维形貌,提出表面高度算术平均偏差Sa、表面高度均方根偏差Sq、表面高度分布偏斜度Ssk、表面高度分布峭度Sku等三维表面形貌参数不确定度的算法。同时,对三维表面形貌参数不确定度算法的稳定性以及三维形貌参数不确定度与分形维数Ds的关系进行探讨。结果表明:提出的三维表面形貌参数不确定度算法具有较好的稳定性,分形参数、取样步距与三维表面形貌参数不确定度存在关联,三维表面形貌参数Sa、Ssk、Sku的不确度值随着分形维数的增大反而减小;而Sq不确定度值与分形维数呈正相关的关系。     

Al_2O_3陶瓷表面准分子激光加工的形貌特征

以微机械为应用背景,采用准分子激光加工方法对Al2O3陶瓷材料表面进行加工,考察加工表面的形貌特征。研究表明,准分子激光加工表面形貌的统计参数具有显著的规律性。其高度参数的算术平均值Ra和均方根值Rq随工艺参数呈现同步同趋势变化的规律,并且相互之间具有定量的关系。对此本文提出了准分子激光加工表面轮廓的简化模型,分析计算的结果与实测数据基本吻合。研究还表明,准分子激光加工表面相当平坦,其坡度均方根值.Zq随工艺参数的变化不大。上述特征是由准分子激光加工原理决定的,与通常的切削加工截然不同。     

准分子激光加工参数对表面形貌影响的模糊分析

采用准分子激光微细加工方法 ,选用不同的工艺参数加工Al2 O3 陶瓷材料试件。通过表面轮廓仪测量并计算表面形貌统计参数。分析了激光加工工艺参数对表面形貌的影响 ,利用模糊分析方法 ,就激光器的放大器电压、激光脉冲频率、激光扫描速度等工艺参数对表面形貌轮廓均方根值Rq 的影响进行了评价。结果表明 ,Rq 值随激光器的放大器电压和激光脉冲频率的增大而增大 ,随激光扫描速度的增大而减小。分析得出 ,激光加工工艺参数对表面形貌的影响程度不同 ,由大到小依次为激光扫描速度、激光脉冲频率、放大器电压。因此 ,可以通过合理地选择工艺参数获得所需求的表面形貌 ,为表面微观形貌修饰提供了参考依据。     

苜蓿草粉对金属材料磨损表面的分形维数计算

基于分形理论和扫描电镜分析,采用差分计数盒法(DBC)计算了苜蓿草粉对金属材料磨损表面的三维分形维数。结果表明:基于DBC法和磨损表面SEM照片计算所得的分形维数,可以表征苜蓿草粉对金属材料磨损表面的形貌特征;相同加工条件下的金属加工表面具有相近的分形维数,但不能通过分形维数区分材料;苜蓿草粉磨损后的磨损表面分形维数与磨损体积损失有着密切的关系,体积磨损量越大,分形维数也越大。     

On the influence of imaging conditions and algorithms on the quantification of surface topography

The influence of the microscopical magnification resulting in different voxel size and shape and of the algorithm on parameters used for the quantification of the surface topography is studied using topographical images obtained by confocal laser scanning microscopy. Fracture surfaces and wire‐eroded surfaces of steel were used as samples. The values obtained for the global topometry parameters normalized surface area, mean profile segment length and fractal dimension depend with different degrees on the microscopic magnification and on the algorithm used to compute these values. The topometry values can only be used to establish correlations between the topography and materials properties and for the modelling of surface generating processes if the imaging and computing details are given.     

激光强化40Cr合金钢表面磨损特性研究

采用CO2激光器及不同的激光强化参数对40Cr钢进行表面强化，并将其与热轧Q235钢组成摩擦副，在干摩擦条件下进行摩擦磨损试验，旨在确定合理的激光强化参数，为提高矫直辊耐磨性提供试验依据。通过对试验结果的定量分析得出，激光强化可以提高40Cr钢的耐磨性。采用扫描电镜对激光强化后的40Cr钢表面和磨损表面进行分析，发现激光强化后40Cr钢的金相组织主要是致密的马氏体，而且磨损表面比正常淬火的40Cr钢的表面光滑，仅产生一些微裂纹。     

Ni60 A含量对激光再制造试件力学性能的影响

采用激光再制造技术在Q235基材上熔覆三种不同成分配比的304不锈钢粉末,分别为纯304不锈钢末,添加10％Ni60A的304不锈钢粉末,添加15％Ni60A的304不锈钢粉末,利用维氏显微硬度计研究熔覆层表面维氏显微硬度,利用万能试验机研究熔覆层拉伸力学性能。实验结果表明：添加了Ni60 A粉末的304不锈钢再制造试件由于发生了固溶强化,使得维氏显微硬度和抗拉强度显著增强,延伸率则有所下降,且随着Ni60 A含量的增加,效果更明显。     

评价机械加工表面形貌的小波变换方法

提出了用小波变换计算粗糙表面分形维数的新方法 ,并基于Weierstrass -Mandelbrot函数 (W -M函数Majumdar-Bhushan函数 (M -B函数 )对该方法进行了验证 ,结果表明该方法具有很高的计算精度。应用小波变换方法对核态池沸腾试验板表面形貌的分形特征进行了评价 ,包括铜和不锈钢材料 ,轧制、砂纸打磨和表面机械抛光等 3种加工方法生成 5个粗糙度级别的试验板 ,研究结果表明该方法能有效评价表面形貌的分形特征。     

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。