CN112683194A - 一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，具体步骤如下：首先获得微造型三维表面磨损形貌，然后对其二维磨损轮廓进行采样，然后对比分析磨痕与微造型划分不同尺度，确定小波变换分解次数以及采样长度，然后依据确定的小波变换分解次数以及采样长度对二维轮廓数据进行小波变换，获得表面磨损二维轮廓数据小波变换后的高频系数，再获得变换后高频系数与分解尺度之间的关系，最后求得变换后高频系数与分解尺度拟合函数的斜率，获得表面磨损形貌分析表征参数。本发明对微造型表面磨损形貌多尺度性，随机性，不规则性进行分析表征，能够多尺度，精细的对磨痕微观结构进行分析表征，从而精确地分析表征微织构对改善摩擦磨损的影响。
Description
技术领域：
本发明属于摩擦学领域，涉及一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法。
背景技术：
表面微造型即采用各种技术手段在相对光滑的摩擦副表面上加工出具有一定尺寸和排列的几何形貌，常见的表面微造型形貌有沟槽型，圆凹坑型，凸包型，通过一定的微造型，能够显著改善表面的摩擦磨损性能。
微造型摩擦磨损表面形貌具有自相似与多尺度的特点，现在常见的分析表面二维形貌轮廓的方法有表面波纹度法，形状误差法，表面粗糙度法，这些参数并不能对微造型表面磨损形貌的多尺度性，随机性，不规则性进行表征，进而不能够全面的分析表征微造型对摩擦磨损性能的影响，而小波分解采用相应的滤波器，得到小波分解高频系数与小波低频系数，高频系数代表着细节信号，低频系数代表着相似信号，随着分解次数的增加，所分解的结构也越来越精细，具有多尺度的特点，依据小波分解求得的表面磨损形貌表征参数弥补了上述表征参数的不足，可以对微造型表面摩擦磨损形貌的多尺度性，随机性，不规则性进行表征，精确的表征。
发明内容：
本发明的目的是为克服上述不足，提供一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，该方法可以更好的对微造型表面磨痕多尺度性，随机性，不规则性进行分析，对微造型改善表面摩擦磨损性能进行更好的表征
为达到上述目的，本发明的一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，具体包括以下步骤:
第一步，获取微造型磨损表面三维形貌，该表面形貌数据由形貌测量激光共聚焦显微镜测量微造型磨损表面形貌获得，再对微造型表面二维磨痕形貌z(x)进行采样。
第二步，分析微造型参数与磨痕形貌z(x)，根据磨痕形貌z(x) 尺度大小与微造型参数凹坑深度D分析确定，根据P＝∣z(x1)-z(x2) ∣，(0<x2-x1<100μm),当凹坑深度D与P相差越大的时候，此时P 尺度足够小，需要变换的次数越少，即可反应出细节信号。当 0<D-Pmax<10μm范围相近时候,为尺度一，采用小波变换分解次数8次，当50<D-Pmax<100μm的时候,为尺度三，采用小波变换分解次数在6 次，当10<D-Pmax<50μm的时候，为尺度二，采用小波变换分解次数在7次。
第三步，依据凹坑直径A，凹坑间距B与凹坑位错C的分布关系，对比磨痕形貌，确定三种尺度下的采样长度。在 z(xi)＝zmax,z(xj)＝zmin,(0<∣xi-xj∣<50μm)时，当45∣xi-xj∣>B-A>35 ∣xi-xj∣且C>30∣xi-xj∣,采样长度为40∣xi-xj∣,当35∣xi-xj∣>B-A>25∣xi-xj∣且C>20∣xi-xj∣,采样长度为30∣xi-xj∣,当25 ∣xi-xj∣>B-A>15∣xi-xj∣且C>10∣xi-xj∣，采样长度为20∣xi-xj∣。
第四步，依据上述对不同尺度的微造型的表面磨损采样数据，对表面磨损采样轮廓数据z(x)进行小波变换，依据公式：
其中z(x)为磨痕轮廓函数，
为小波函数，n为平移参数，m 为尺度参数。得到高频小波系数
通过对上述不同尺度的微造型的表面磨损采样数据进行变换，得到高频系数
该系数反应的是数据的细节信息。通过对应分解次数获得的高频系数，多尺度的反应数据的细节信息。
第五步，依据公式：
得到变换后小波高频系数
与分解尺度m之间的关系，求得斜率α，对第四步所述的高频系数求解方差，并取对数，便可得到与分解尺度之间的关系,该公式依据上述小波变换公式推导得到。
第六步，依据公式:
其中Q为表面磨损形貌分析表征参数，上述公式通过Holder指数联合上述第四步公式变换得到，Holder指数反应的是局部程度指数，反应的是局部的相似性。通过求解Q,可以表征不同尺度微造型下表面磨损形貌的多尺度性，随机性，通过对微造型表面磨损形貌的轮廓数据多次分解，可以分析轮廓数据的多尺度性，随机性,不规则性。
作为优选，进行小波变换时，小波基函数采用的是sym2小波基函数。
作为优选，分解尺度与高频小波系数关系图采用线性拟合得到。本发明的有益效果：
表面微造运用本方法可以对对微造型表面磨损形貌的多尺度性，随机性，不规则性进行表征，从而对微造型对摩擦磨损性能影响进行更好的表征，表现在以下几方面：
(1)对不同微造型参数式样进行尺度划分，能够使采样结果更加精确合理。
(2)通过选用相应的小波基函数，能够使分解结果更加准确。
(3)可以多尺度，高精度地对微造型表面摩擦磨损性能进行表征。
附图说明
图1为微造型平面示意图
图2为实施案例一不同深度直径微造型微观形貌
图3为实施案例一微造型表面摩擦磨损形貌原图
图4为实施案例一磨痕形貌及二维轮廓图
图5为实施案例一小波系数与分解尺度关系图
具体实施方式
下面结合附图以及实例对发明做进一步详细说明：
本实例中，首先获取一组45#钢激光刻蚀表面微造型式样，其表面微造型参数A、B、C、D如下表一所示。。
本发明中一种基于分形维数分析微织构表面磨痕的方法，具体包括以下步骤：
第一步，将磨损后微造型式样放入形貌测量激光共聚焦显微镜进行形貌测量，得到45#钢微造型表面磨痕形貌原图，如下图3所示。获取微造型磨损表面二维轮廓数据，该轮廓数据由形貌测量激光共聚焦显微镜测量磨损表面形貌获得，如下图4所示，得到微造型的表面磨损采样数据z(x)。
表一 微造型参数表
第二步，分析微造型参数与磨痕形貌z(x)，根据磨痕形貌z(x) 尺度大小与微造型参数凹坑深度D分析对比确定，根据P＝∣ z(x1)-z(x2)∣，(0<x2-x1<100μm),当凹坑深度D与P相差越大的时候，此时P尺度足够小，需要变换的次数越少，即可反应出细节信号。当0<D-Pmax<10μm范围相近时候，为尺度一，采用小波变换分解次数8次，当50<D-Pmax<100μm的时候，采用小波变换分解次数在6 次，为尺度三，当10<D-Pmax<50μm的时候，为尺度二，采用小波变换分解次数在7次，
第三步，依据凹坑直径A，凹坑间距B与凹坑位错C的分布关系，对比磨痕形貌，确定三种尺度下的采样长度。在 z(xi)＝zmax,z(xj)＝zmin,(0<∣xi-xj∣<50μm)时，当45∣xi-xj∣>B-A>35 ∣xi-xj∣且C>30∣xi-xj∣,采样长度为40∣xi-xj∣,当35∣xi-xj∣>B-A>25∣xi-xj∣且C>20∣xi-xj∣,采样长度为30∣xi-xj∣,当25 ∣xi-xj∣>B-A>15∣xi-xj∣且C>10∣xi-xj∣，采样长度为20∣xi-xj∣。如下表二所示，分别采样长度为1600μm，1200μm，800μm，得到采样数据。
表二 微造型摩擦磨损形貌数据
第四步，对表二得到的45#钢微造型表面二维磨痕采样数据进行小波变换分析，依据公式：
对其进行小波变换，采用的是sym2小波基函数，其中z(x)为磨痕轮廓函数，
为小波函数，n为平移参数，m为尺度参数，三个尺度的微造型磨痕数据分解次数分别为8次，7次，6次,得到对应分解次数下的高频小波系数，如表三、四、五所示。
表三 尺度一磨痕小波变换高频系数
表四 尺度二磨痕小波变换高频系数
表五 尺度三磨痕小波变换高频系数
第五步，依据公式：
简化公式得
y＝log2σ2+mα
得到变换后小波高频系数
与分解尺度m之间的关系，如下图5所示，求得斜率α＝1.133，1.2284，1.287。
第六步，根据公式：
其中Q为表面磨损形貌分析表征参数，上述公式通过Holder指数联合上述第四步公式变换得到，holder指数反应的是局部程度指数，反应的是局部的相似性，最终可求得Q＝1.9335，1.8858，1.8565。对表面微织构二维摩擦磨损微观轮廓多尺度性，随机性，不规则性进行表征。
Claims (7)
1.一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，获取微造型磨损三维表面形貌，该表面形貌数据由形貌测量激光共聚焦显微镜测量微造型磨损表面形貌获得，对微造型表面二维磨痕形貌z(x)进行采样；
第二步，分析微造型参数与磨痕形貌z(x)，根据磨痕形貌z(x)大小与微造型参数凹坑深度D分析对比确定，根据P＝∣z(x1)-z(x2)∣，(0<x2-x1<100μm),当凹坑深度D与P相差越大的时候，此时P尺度足够小，需要变换的次数越少，即可反应出细节信号。当0<D-Pmax<10μm范围相近时,为尺度一，采用小波变换分解次数8次，当50<D-Pmax<100μm的时候,为尺度三，采用小波变换分解次数在6次，当10<D-Pmax<50μm的时候，为尺度二，采用小波变换分解次数在7次；
第三步，依据凹坑直径A，凹坑间距B与凹坑位错C的分布关系，对比磨痕形貌，确定三种尺度下的采样长度；在z(xi)＝zmax,z(xj)＝zmin,(0<∣xi-xj∣<50μm)时，当45∣xi-xj∣>B-A>35∣xi-xj∣且C>30∣xi-xj∣,采样长度为40∣xi-xj∣；当35∣xi-xj∣>B-A>25∣xi-xj∣且C>20∣xi-xj∣；采样长度为30∣xi-xj∣,当25∣xi-xj∣>B-A>15∣xi-xj∣且C>10∣xi-xj∣，采样长度为20∣xi-xj∣；
第四步，对表面磨损采样二维轮廓数据z(x)进行小波变换，依据公式：
其中z(x)为磨痕轮廓函数，
为小波函数，n为平移参数，m为尺度参数，得到高频小波系数
第五步，依据公式：
得到变换后小波高频系数
与分解尺度m之间的关系，求得斜率α；
第六步，根据公式：
其中Q为表面磨损形貌分析表征参数。
2.根据权利要求1所述的一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，其特征在于：第二步所述的凹坑深度参数在0～250μm范围内。
3.根据权利要求1所述的一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，其特征在于：第二步所述的分解次数依据凹坑深度D与P分析对比确定，其中D与P的对比误差在10μm范围内。
4.根据权利要求1所述的一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，其特征在于：第三步所述的凹坑直径，间距，错位参数在0～3mm范围内。
5.根据权利要求1所述的一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，其特征在于：第三步所述的采样长度依据微造型参数A、B、C与磨痕形貌对比z(x)而定，其中B-A与∣xi-xj∣的对比误差在100μm范围内。
6.根据权利要求1所述的一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，其特征在于：第四步所述的对微造型表面磨损采样二维轮廓数据z(x)进行小波变换，采用的是sym2小波基函数。
7.根据权利要求1所述的一种微造型表面摩擦磨损形貌的表征方法，其特征在于：第五步所述的变换后小波高频系数与分解尺度之间的关系，为线性拟合得到。
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