CN113406074B - 一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法 - Google Patents

一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，包括步骤：1)在上下表面平行的待测试板上制备3个共线等距小孔；2)使金相检验观察面通过所述3个小孔并测量小孔的入口及出口侧孔径，计算平均值；3)在小孔一侧沿孔边缘位置切割，并按标准金相制样流程镶样、磨抛，使整体侧壁轮廓完全呈现；4)测量3个小孔的轮廓入口及出口宽度，计算各孔入口及出口侧圆心与观察面间距离；5)确定观察面与基准面在入口及出口侧的交点位置；6)判断观察面是否通过3个小孔的中心轴线；7)根据是否通过中心轴线，选择梯形方法或三角形方法，得到孔壁轮廓特征还原结果。本发明可实现对金相观察面倾转所造成测量误差的修正。

Description

一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法
技术领域
本发明总体上涉及微特征的金相检验技术领域，特别涉及一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，可用于航空航天、微电子等行业带小孔零件的金相检验。
背景技术
在航空航天热端部件上，存在气膜孔、喷油孔等小孔，目前针对小孔孔径的检验主要依靠不同直径的塞规，但该方法仅能反应小孔的最小截面积，而无法获取孔壁轮廓随深度的变化规律；光学扫描可以获取靠近孔口一定范围内的孔壁轮廓及粗糙度，但随着孔深的增加可探测的点数量急剧下降，且噪点数量显著升高；工业CT的检验精度受射线源的强度影响，其分层扫描的图像分辨率较低，且无法提供孔壁重熔层等热致缺陷的分布状态。金相检验是较为常用的可以同时呈现小孔几何特征及冶金质量检验方法，特别当小孔采用电火花、电化学、激光等特种加工方法制造时，按照工艺确认要求及质量验收标准需要对小孔进行剖切金相检验，可得到包含孔壁粗糙度、重熔层/热影响区/电化学腐蚀层厚度等内容的检验数据。上述测量值一方面作为小孔加工状态是否满足服役工况条件的判定依据，另一方面也为小孔后处理工艺的选取提供基础数据，如磨粒流/磁力研磨等。
然而针对小孔金相检验的现行标准及规范中，均未提出样品金相检验观察面与小孔间位置关系的要求。事实上，如金相检验观察面偏离孔中心轴线，就会造成对小孔特征尺寸及冶金缺陷检验结果的偏差，进而造成部分零件气膜孔因金相检验重熔层厚度超标而报废。且由于小孔的孔径尺寸一般在0.5mm以下，在手工抛磨的情况下难以对磨样深度进行有效控制，金相检验观察面与孔的相对位置关系无法保证。亟需发展一种可以修正金相检验观察面倾转造成测量值偏差的还原方法，提高小孔金相检验数据的真实性。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提供的一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，包括以下步骤：
1)选取上下表面平行的待测试板，采用相同的加工工艺在待测试板上制备3个共线等距小孔；
2)指定所述待测试板任意一侧为小孔入口侧，另一侧为出口侧，使金相检验观察面通过所述3个小孔并测量小孔的入口及出口侧孔径，分别计算平均值；
3)在所述3个小孔的一侧沿边缘位置切割，并按标准金相制样流程镶样、磨抛，使3个小孔在金相检验下从入口到出口侧的整体侧壁轮廓完全呈现出来；
4)测量所述3个小孔的入口及出口侧轮廓宽度，并根据步骤2)所述的平均值，计算各孔入口及出口侧圆心与所述金相检验观察面间距离；
5)根据步骤4)所述入口及出口侧圆心与金相检验观察面间的距离，确定所述金相检验观察面与所述3个小孔中心轴线所构成的基准面，在入口及出口侧的交点位置；
6)根据步骤5)所述的交点位置，判断所述金相检验观察面是否通过所述3个小孔的中心轴线；
7)根据步骤6)所述金相检验观察面是否通过小孔中心轴线，选择梯形方法或三角形方法，得到3个小孔的孔壁轮廓特征还原结果。
优选地，所述步骤4)中计算各孔入口及出口侧圆心与所述金相检验观察面间距离的方法为：
对应于3个小孔入口侧，Pn＝(E0 2-En 2)1/2； (1)
对应于3个小孔出口侧，Qn＝(F0 2-Fn 2)1/2； (2)
En为小孔入口侧轮廓宽度，Fn小孔出口侧轮廓宽度，E0为所述步骤2)得到的入口孔径平均值，F0为所述步骤2)得到的出口孔径平均值，Pn为各孔入口侧圆心与所述金相检验观察面间距离，Qn为各孔出口侧圆心与所述金相检验观察面间距离，n＝1，2，3。
优选地，所述步骤5)中确定金相检验观察面与基准面在入口侧交点位置的方法为：将所述3个小孔从左至右依次记为孔1、孔2、孔3，依据相似三角形关系，分为四种情况：(1)P3＝max{P1,P2,P3}且P1+2*P2＝P3，则入口侧交点位于孔1与孔2之间；(2)P1＝max{P1,P2,P3}且P3+2*P2＝P1，则入口侧交点位于孔2与孔3之间；(3)P3＝max{P1,P2,P3}且P1+P3＝2*P2，则入口侧交点位于孔1左侧；(4)P1＝max{P1,P2,P3}且P1+P3＝2*P2，则入口侧交点位于孔3右侧。
优选地，所述步骤5)中确定金相检验观察面与基准面在出口侧交点位置的方法为：将所述3个小孔从左至右依次记为孔1、孔2、孔3，依据相似三角形关系，分为四种情况：(1)Q3＝max{Q1,Q2,Q3}且Q1+2*Q2＝Q3，则出口侧交点位于孔1与孔2之间；(2)Q1＝max{Q1,Q2,Q3}且Q3+2*Q2＝Q1，则出口侧交点位于孔2与孔3之间；(3)Q3＝max{Q1,Q2,Q3}且Q1+Q3＝2*Q2，则出口侧交点位于孔1左侧；(4)Q1＝max{Q1,Q2,Q3}且Q1+Q3＝2*Q2，则出口侧交点位于孔3右侧。
优选地，所述步骤6)和步骤7)中，判断金相检验观察面是否通过3个小孔的中心轴线的方法为：若对于某孔其入口及出口交点在同侧，则金相检验观察面不通过该孔中心轴线，应选择梯形方法对孔壁轮廓加以还原；若对于某孔其入口及出口交点在异侧，则金相检验观察面通过该孔中心轴线，则应选择三角形方法对孔壁轮廓加以还原。
优选地，所述步骤7)所中的梯形方法为：
孔在不同截面高度的半径为
Rn(x)＝(4*((Hn-hn)/Hn*Qn+hn/Hn*Pn)2+wn(h)2)1/2； (3)
其中，hn＝x*Hn/D，D为试板厚度，Hn为观察面上孔对称轴线长度，wn(h)为该截面上孔的宽度，hn为相对于出口侧平面的某截面高度，x在0～D范围内变化，n＝1，2，3。
优选地，所述步骤7)中的三角形方法为：
孔在不同截面高度的半径为
Rn(x)＝(4*((Hn-hn)/Hn*Qn-hn/Hn*Pn)2+wn(h)2)1/2； (4)
其中，hn＝x*Hn/D，D为试板厚度，Hn为观察面上孔对称轴线长度，wn(h)为该截面上孔的宽度，hn为相对于出口侧平面的某截面高度，x在0～D范围内变化，n＝1，2，3。
优选地，所述步骤7)孔壁轮廓特征还原方法为：建立所述3个小孔的还原坐标系，坐标系X轴方向与所述小孔中心轴线方向重合，X轴零位面位于试板出口平面，将孔在不同截面高度的半径Rn(x)随x的函数关系绘制在所述还原坐标系中，得到所述孔壁轮廓特征随孔深的变化关系。
本发明的有益效果为：
本发明通过测算3个小孔中心轴线与金相检验观察面间的相互位置关系，在此基础上分别基于梯形和三角形方法还原孔壁轮廓特征，形成孔壁轮廓及粗糙度随孔深的变化关系，能够实现对金相检验观察面倾转所造成孔壁轮廓测量值偏差的修正，提高小孔金相检验数据的准确性，可避免如航空叶片零件气膜孔等小孔因金相检验数据不准确而导致报废。
附图说明
图1为待测试板平面小孔排布方式图。
图2为平面待测小孔入口及出口截面图。
图3为金相检验观察面与孔圆心连线基准面的交点位于孔1及孔2之间。
图4为金相检验观察面与孔圆心连线基准面的交点位于孔2及孔3之间。
图5为金相检验观察面与孔圆心连线基准面的交点位于孔1左侧。
图6为金相检验观察面与孔圆心连线基准面的交点位于孔3右侧。
图7为金相检验观察面不通过孔中心轴线情况示意图。
图8为金相检验观察面通过孔中心轴线情况示意图。
图9为梯形还原方法示意图。
图10为三角形还原方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例1、2对本发明作进一步的描述，显然，所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所做出的任何显而易见的改进、替换或变型，都属于本发明保护的范围。
具体实施例1：
请参阅图1和图2，在两面磨光的试板上采用超快激光螺线旋切工艺加工三个共线等距的小孔，试板厚度为D＝2.00mm，采用金相检验测量3个孔的入口及出口孔径并计算平均值，分别记为E0＝0.630mm及F0＝0.582mm，如图1所示。采用电火花慢走丝线切割，在距离3个小孔一侧孔边缘约1mm的位置完成切割，并将切下来带有小孔的试样按照标准金相制样流程完成镶样、磨抛操作，在磨样过程中尽量保证平磨，确保经磨削到位抛光后3个小孔从入口到出口的6个侧壁轮廓完整呈现出来，不存在盲孔、交叉孔，保证后续金相检验的准确性。
见图2，在金相检验下，旋转试样使得3个孔的入口侧在视野上方、出口侧处于下方，从左至右依次记为孔1、孔2、孔3。调整金相显微镜放大倍率及观察视场区域，分别测量每个孔的入口及出口宽度，将入口宽度分别记为E1＝0.603mm、E2＝0.627mm、E3＝0.548mm，出口宽度分别记为F1＝0.413mm、F2＝0.557mm、F3＝0.574mm。根据勾股定理，计算孔中心轴线至各孔观察面入口及出口的距离，得到对应3个孔入口侧距离为P1＝(E0 2-E1 2)1/2＝0.182mm，P2＝(E0 2-E2 2)1/2＝0.064mm，P3＝(E0 2-E3 2)1/2＝0.310mm，对应3个孔出口侧距离为Q1＝(F0 2-F1 2)1/2＝0.407mm，Q2＝(F0 2-F2 2)1/2＝0.161mm，Q3＝(F0 2-F3 2)1/2＝0.085mm。
经计算，入口侧距离满足P3＝max{P1,P2,P3}且P1+2*P2＝P3，则在入口一侧试样表面，金相检验观察面与中心轴线所在基准面的交点位于孔1与孔2之间，如图3所示；出口侧距离满足Q1＝max{Q1,Q2,Q3}且Q3+2*Q2＝Q1，则在出口一侧试样表面，金相检验观察面与中心轴线所在基准面的交点位于孔2与孔3之间，如图4所示。由此判断金相观察面与基准面的位置关系，针对孔1及孔3，金相观察面在基准面的一侧，即金相观察面不通过该孔中心轴线，如图7所示；针对孔2，金相观察面与基准面在其内部相交，因此观察面通过该孔中心轴线，如图8所示。
针对图7所示的情况，采用梯形方法对孔壁轮廓加以还原，具体如图9所示，以孔1的还原过程为例：在金相检验下测量孔1的入口中点至出口中点距离H1＝2.013mm，保持视场不变，取任一平行于入口及出口平面的截线，该截线中点至出口中点距离h＝1.562mm，该截线与孔1两侧壁的交点间距为w1(h)＝0.564mm。则该截线所在等高平面与孔中轴线相截，其高度x＝h*D/H1＝1.562＊2/2.013＝1.552mm，对应R1(x)＝(((H1-h)/H1*Q1+h/H1*P1)2+w1(h)2)1/2/2＝0.305mm。调整截线高度及间距，获得R1(x)随x的变化关系。
针对图8所示的情况，采用三角形方法对孔壁轮廓加以还原，具体如图10所示，以孔2的还原过程为例：在金相检验下测量孔2的入口中点至出口中点距离H2＝2.013mm，保持视场不变，取任一平行于入口及出口平面的截线，该截线中点至出口中点距离h＝1.008mm，该截线与孔2两侧壁的交点间距为w2(h)＝0.615mm。则该截线所在等高平面与孔中轴线相截，其高度x＝h*D/H2＝1.008＊2/2.013＝1.001mm，对应R2(x)＝(((H2-h)/H2*Q2-h/H2*P2)2+w2(h)2)1/2/2＝0.308mm。调整截线高度及间距，获得R2(x)随x的变化关系。
孔3的还原方法与孔1相同。
建立3个孔的还原坐标系，坐标系X轴方向与孔中心轴线方向重合，X方向零位面位于试板出口平面，分别将半径R1(x)、R2(x)、R3(x)随x的函数关系或某特定截面高度的侧壁位置绘制在还原坐标系中，得到孔壁轮廓及粗糙度随孔深的变化关系。
具体实施例2：
请参阅图1和图2，在两面磨光的试板上采用电火花小孔机加工三个共线等距的小孔，试板厚度为D＝3.00mm，进行金相检验，测量3个孔的入口及出口孔径并计算平均值，分别记为E0＝0.857mm及F0＝0.732mm，如图1所示。采用电火花慢走丝线切割，在距离3个小孔一侧孔边缘约1mm的位置完成切割，并将切下来带有小孔的试样按照标准金相制样流程完成镶样、磨抛操作，在磨样过程中尽量保证平磨，确保经磨削到位抛光后3个小孔从入口到出口的6个侧壁轮廓完整呈现出来，不存在盲孔、交叉孔，保证后续金相检验的准确性。
在金相检验下，旋转试样使得3个孔的入口侧在视野上方、出口侧处于下方，从左至右依次标记为孔1、孔2、孔3。调整金相显微镜放大倍率及观察视场区域，分别测量每个孔的入口及出口宽度，将入口宽度分别记为E1＝0.844mm、E2＝0.769mm、E3＝0.602mm，出口宽度分别记为F1＝0.299mm、F2＝0.588mm、F3＝0.703mm，见图2。根据勾股定理，计算孔中心轴线至各孔观察面入口及出口的距离，得到对应3个孔入口侧距离为P1＝(E0 2-E1 2)1/2＝0.146mm，P2＝(E0 2-E2 2)1/2＝0.378mm，P3＝(E0 2-E3 2)1/2＝0.610mm，对应3个孔出口侧距离为Q1＝(F0 2-F1 2)1/2＝0.668mm，Q2＝(F0 2-F2 2)1/2＝0.436mm，Q3＝(F0 2-F3 2)1/2＝0.204mm。
经计算，入口侧距离满足P3＝max{P1,P2,P3}且P1+P3＝2*P2，则在入口一侧试样表面，观察面与中心轴线所在基准面的交点位于孔1左侧，如图5所示；出口侧距离满足Q1＝max{Q1,Q2,Q3}且Q1+Q3＝2*Q2，则在出口一侧试样表面，观察面与中心轴线所在基准面的交点位于孔3右侧，如图6所示。由此判断观察面与基准面的位置关系，针对孔1、孔2及孔3，观察面与基准面均在其内部相交，因此观察面是通过3个小孔的中心轴线的，如图8所示。
需采用三角形方法对孔壁轮廓及重熔层加以还原，具体如图10所示，以孔1为例：在金相下测量孔1的入口中点至出口中点距离H1＝3.108mm，保持视场不变，取任一平行于入口及出口平面的截线，该截线中点至出口中点距离h＝2.325mm，该截线与孔1两侧壁的交点间距为w1(h)＝0.798mm，该截线与孔1两侧重熔层/基体界面的交点间距为w1’(h)＝0.825mm。则该截线所在等高平面与孔中轴线相截，其高度x＝h*D/H1＝2.325＊3/3.108＝2.244mm，对应孔壁轮廓半径R1(x)＝(((H1-h)/H1*Q1-h/H1*P1)2+w1(h)2)1/2/2＝0.400mm，以及重熔层/基体界面半径R1’(x)＝(((H1-h)/H1*Q1-h/H1*P1)2+w1’(h)2)1/2/2＝0.414mm，则该位置重熔层厚度为0.014mm。根据测量精度要求，可调整截线高度及间距，获得R1(x)及R1’(x)随x的变化关系。
孔2及孔3的还原方法与孔1相同。
建立3个孔的还原坐标系，坐标系X轴方向与孔中心轴线方向重合，X轴方向零位面位于试板出口平面，分别将半径R1(x)、R2(x)、R3(x)，及重熔层/基体界面半径R1’(x)、R2’(x)、R3’(x)随x的函数关系或某特定截面高度的侧壁位置绘制在还原坐标系中，得到孔壁轮廓及重熔层厚度随孔深的变化关系。

Claims (8)

1.一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取上下表面平行的待测试板，采用相同的加工工艺在所述待测试板上制备3个共线等距小孔；
2)指定所述待测试板任意一侧为小孔入口侧，另一侧为出口侧，使金相检验观察面通过所述3个小孔并测量小孔的入口及出口侧孔径，分别计算平均值；
3)在所述3个小孔的一侧沿边缘位置切割，并按标准金相制样流程镶样、磨抛，使3个小孔在金相检验下从入口到出口侧的整体侧壁轮廓完全呈现出来；
4)测量所述3个小孔的入口及出口侧轮廓宽度，并根据步骤2)所述的平均值，计算各孔入口及出口侧圆心与所述金相检验观察面间距离；
5)根据步骤4)所述入口及出口侧圆心与金相检验观察面间的距离，确定所述金相检验观察面与所述3个小孔中心轴线所构成的基准面，在入口及出口侧的交点位置；
6)根据步骤5)所述的交点位置，判断所述金相检验观察面是否通过所述3个小孔的中心轴线；
7)根据步骤6)所述金相检验观察面是否通过小孔中心轴线，选择梯形方法或三角形方法，得到3个小孔的孔壁轮廓特征还原结果。
2.根据权利要求1所述的一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，其特征在于，所述步骤4)中计算各孔入口及出口侧圆心与所述金相检验观察面间距离的方法为：
对应于3个小孔入口侧，Pn＝(E0 2-En 2)1/2； (1)
对应于3个小孔出口侧，Qn＝(F0 2-Fn 2)1/2； (2)
其中，En为小孔入口侧轮廓宽度，Fn为小孔出口侧轮廓宽度，E0为所述步骤2)得到的入口孔径平均值，F0为所述步骤2)得到的出口孔径平均值，Pn为各孔入口侧圆心与所述金相检验观察面间距离，Qn为各孔出口侧圆心与所述金相检验观察面间距离，n＝1，2，3。
3.根据权利要求2所述的一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，其特征在于，所述步骤5)中确定金相检验观察面与基准面在入口侧交点位置的方法为：将所述3个小孔从左至右依次记为孔1、孔2、孔3，依据相似三角形关系，分为四种情况：(1)P3＝max{P1,P2,P3}且P1+2*P2＝P3，则入口侧交点位于孔1与孔2之间；(2)P1＝max{P1,P2,P3}且P3+2*P2＝P1，则入口侧交点位于孔2与孔3之间；(3)P3＝max{P1,P2,P3}且P1+P3＝2*P2，则入口侧交点位于孔1左侧；(4)P1＝max{P1,P2,P3}且P1+P3＝2*P2，则入口侧交点位于孔3右侧。
4.根据权利要求2所述的一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，其特征在于，所述步骤5)中确定金相检验观察面与基准面在出口侧交点位置的方法为：将所述3个小孔从左至右依次记为孔1、孔2、孔3，依据相似三角形关系，分为四种情况：(1)Q3＝max{Q1,Q2,Q3}且Q1+2*Q2＝Q3，则出口侧交点位于孔1与孔2之间；(2)Q1＝max{Q1,Q2,Q3}且Q3+2*Q2＝Q1，则出口侧交点位于孔2与孔3之间；(3)Q3＝max{Q1,Q2,Q3}且Q1+Q3＝2*Q2，则出口侧交点位于孔1左侧；(4)Q1＝max{Q1,Q2,Q3}且Q1+Q3＝2*Q2，则出口侧交点位于孔3右侧。
5.根据权利要求1所述的一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，其特征在于，所述步骤6)和步骤7)中，判断金相检验观察面是否通过3个小孔的中心轴线的方法为：若对于某孔其入口及出口交点在同侧，则金相检验观察面不通过该孔中心轴线，选择梯形方法对孔壁轮廓加以还原；若对于某孔其入口及出口交点在异侧，则金相检验观察面通过该孔中心轴线，则选择三角形方法对孔壁轮廓加以还原。
6.根据权利要求2所述的一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，其特征在于，所述步骤7)中的梯形方法为：
孔在不同截面高度的半径为
Rn(x)＝(4*((Hn-hn)/Hn*Qn+hn/Hn*Pn)2+wn(h)2)1/2； (3)
其中，hn＝x*Hn/D，D为试板厚度，Hn为观察面上孔对称轴线长度，wn(h)为该截面上孔的宽度，hn为相对于出口侧平面的某截面高度，x在0～D范围内变化，n＝1，2，3。
7.根据权利要求2所述的一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，其特征在于，所述步骤7)中的三角形方法为：
孔在不同截面高度的半径为
Rn(x)＝(4*((Hn-hn)/Hn*Qn-hn/Hn*Pn)2+wn(h)2)1/2； (4)
其中，hn＝x*Hn/D，D为试板厚度，Hn为观察面上孔对称轴线长度，wn(h)为该截面上孔的宽度，hn为相对于出口侧平面的某截面高度，x在0～D范围内变化，n＝1，2，3。
8.根据权利要求1所述的一种消除金相检验观察面倾转误差的小孔轮廓特征还原方法，其特征在于，所述步骤7)孔壁轮廓特征还原方法为：建立所述3个小孔的还原坐标系，坐标系X轴方向与所述小孔中心轴线方向重合，X轴零位面位于试板出口平面，将孔在不同截面高度的半径Rn(x)随x的函数关系绘制在所述还原坐标系中，得到所述孔壁轮廓特征随孔深的变化关系。
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