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激光毛化冷轧辊表面三维形貌测量及其评价方法研究

夏灵林  
【摘要】:冷轧金属薄板大量应用于汽车、航空、家电、建筑、装饰等行业。冷轧辊表面毛化技术是生产优质薄板的表面预处理技术,从六、七十年代发展至今。通过对轧辊表面进行毛化,可生产出符合后续生产要求的表面微观形貌的薄板表面。随着人们生活水平的提高,优质毛化薄板需求数量日渐增长,对毛化薄板表面冲压成形性、鲜映性、抗磨损等性能的要求也不断提高。激光毛化技术以其高效、经济、无污染、可计算机控制等独特优势,可快速加工出符合设计要求的毛化轧辊表面,具备发展成为主流轧辊毛化技术的可能。然而,一直以来,对轧辊和薄板表面性能的评定往往基于表面轮廓曲线,以二维粗糙度为基础,从而导致难以有效地对激光毛表面性能进行合理分析及评定,也无法实现对激光毛化过程的反馈,在很大程度上制约了激光毛化技术的发展和应用。 针对激光毛化轧辊和薄板表面微形貌检测方法存在的不足,本论文建立了基于光切法三维微形貌测量系统。系统由光切法显微镜光路、CCD图像采集系统、电机三维调节系统、以及计算机数据处理系统四个主要模块组成。为分析光切法测量系统的测量原理和测量方法,以及对激光毛化轧辊和薄板表面测量的适用性,首先对光切法显微镜光路特性进行理论分析和数值仿真,得出基于光切法形貌测量系统中光条图像位置和形貌高度的参数模型;通过对模拟的规则表面进行采样和重建分析,得出了表面测量时,测量的采样间距最佳值模型。然后对采样所得的光条图像边缘难以有效提出的问题,提出了基于光强正态分布的各行归一化闽值分割算法。采用二维双线性插值对表面进行重建算法分析,并结合稀疏矩阵对插值方程进行矩阵求解。通过对粗糙度测量标准板进行采样和重建,分析了测量系统的误差和重复性。之后,本论文根据重建后的三维表面形貌,结合ISO 21578-2规范的三维形貌参数对参数的物理意义和计算方法进行了详细分析。对多次加工造成的表面形貌高度非高斯分布的表面提出了多高斯分解后求取Abbott-Fireston曲线的思想。最后,针对激光毛化轧辊和毛化薄板表而应用中主要关注的性能对参数进行了分析和总结。 通过将计算机系统引入到光切法测量系统,并结合软件系统实现了对激光毛化轧辊和轧辊表面三维微形貌的自动测量、形貌重建以及三维形貌参数集计算。测量系统水平方向测量精度约0.5μm,垂直方向精度约为0.3μm,适用于测量形貌高度变化为-10-10μm之间的毛化表面,可用于激光毛化轧辊和薄板表面检测。使用光切法三维微形貌测量系统,对标准样品测量形貌的结果与实际形貌较好吻合。实践证明,对轧辊表面形貌和薄板进行测量,能有效重建激光毛化轧辊和薄板表面实际形貌,并可应用于现场测量。三维形貌参数集对表面形貌及其性能定量的进行了表达,为数字化管理毛化产品和发展毛化技术提供了技术前提。 进一步研究工作可针对光切法光路系统的改进,提高系统的灵活性和可靠性;建立不同表面形貌与具体性能的关系模型;建立控制激光毛化质量的毛化参数管理和反馈软件系统。


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