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。
Micro Wire Electrical Discharge Machining, with its non-contact and easy processing ofhigh aspect ratio micro and small components of complex shapes, determines its dominantposition which can not be replaced in the micro-nano manufacturing population with verysmall scale and very high precision. However, up to now, according to the magnitude of thetwo-dimensional roughness Height parameters combined with the Hybrid parameters，theassessment of surface quality is made. Micro-WEDM surface is isotropic type, andtwo-dimensional roughness made a lower precision assessment of the surface of such type.Spatial distribution characteristics of the micro-WEDM surface structure determine that it ispossible to get accurate characterization of surface roughness only in the three-dimensionalrange. Domestic and foreign scholars focus on the relationship between surface physicalproperties and the discharge parameters, while there has fewer research of three-dimensionalroughness, what’s more, there is no in-depth study on surface morphology structure andoverall geometry which is the basis of three-dimensional roughness. Therefore, this paperstudies about statistical characteristics of the spectral distribution of the surface of structuralcomponents and the surface of three-dimensional roughness assessment by scanning probemicroscopy of micro-WEDM surface of microscopic three-dimensional morphology.
Firstly, Mathematical morphology decomposition of surface structure is adopted and thesurface of convex peak is Extracted and Convex peak geometry and the variation is studied aswell. Micro-WEDM surface height and the cumulative probability of the profile heightdistribution histogram are found with stochastic theory, which indicates that Micro-WEDMsurface approximately obeys Gaussian distribution. Power spectral density function is used tostudy of Micro-WEDM surface spectral characteristics with such the result thatMicro-WEDM surface belong to the isotropic surface. And direction of the surface such as ahigh degree of homogeneity and slope homogeneity is described quantitatively with surfacespectral moments. Compared with the cylindrical grinding surface, Micro-WEDM surface hasgood high degree of homogeneity and slope homogeneity.
Wavelet analysis method is used to extract the Micro-WEDM three-dimensional surfaceroughness assessment datum. The orthogonal wavelet as the datum extracted wavelet filter is chosen, because of orthogonal wavelet energy conservation features. By waveletreconstruction error of measurement of three-dimensional morphology of the surface, in orderto determine sym5wavelet for the Micro-WEDM surface datum to extract the optimalwavelet basis; by way of wavelet decomposition layers of signal energy to the law ofexponential change to determine the datum extracted the number of wavelet decomposition.Comparative analysis is made of Wavelet assessment of baseline and Traditional filter todetermine the baseline and we have the result that Wavelet assessment of cause’s separation ofroughness from the surface structure of the signal, there is no approximation error, and doesnot depend on the size of the assessment area.
Micro-WEDM surface of three-dimensional roughness assessment parameters is availabefrom the surface structural characteristics and features a total of five aspects. Morphologychanges in the surface of the wear process by numerical simulation of Micro-WEDM,statistical parameters of the analysis of amplitude with the variation of the wear process, thesurface of the run-in period interval; given height distribution shape parameter inMicro-WEDM surface assessment new characterization significance. Three-dimensionalroughness spatial parameters of the algorithm is Improved, directly through thetwo-dimensional autocorrelation function characterization of surface texture characteristics ofMicro-WEDM the complexity of the surface two-dimensional correlation spectroscopy crosssection roundness characterization of surface texture, the main cross-sectionradius direction tocalculate the main direction of the surface texture. Based on the idea of differential geometryof surfaces, algorithm of curvature in the Hybrid parameters is improved, and micro-WEDMsurface roughness of structural features is combined and consequently a new characterizationparameters is proposed which is the Gaussian curvature of the surface peak Sgc. Surfacesupport rate curve through different processing energy of Micro-WEDM, combined with theresults of numerical simulation of surface wear process, determine the height of the supportrate of10%and80%of the corresponding support as the two cut-off value of the surfacefunctional areas, surface together with the support rate curve is divided into four functionalareas, the main volume parameters9function of the three-dimensional roughness Functionalparameters. Watershed segmentation method to determine the number of surface peaks, andthen established on the basis of four characteristics of the three-dimensional roughnessFeature parameters.22three-dimensional roughness parameters is finally proposed to complete a comprehensive assessment of micro WEDM surface.
Standardized the micro WEDM surface three-dimensional roughness assessment system,including10terms and definitions,4geometrical features,4typical algorithms of parameters,11graphic representations. Exploratory study is made about the micro WEDM processingthree-dimensional surface roughness assessment sampling area and assessment area, it isrecommended that the three-dimensional micro WEDM surface roughness using a circularsampling area within each sampling area contains at least three peaksor pit features, anassessment area within a diameter range contains at least five sampling area.
引文
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