軸承生產(chǎn)中的散射光：一次測(cè)量圓度、波紋度及表面粗糙度

軸承是精密機(jī)械零件，對(duì)滾動(dòng)體和軸承套圈的圓度、波紋度和表面粗糙度有很高的要求，生產(chǎn)過(guò)程必須滿足亞微米級(jí)公差。為了驗(yàn)證生產(chǎn)質(zhì)量，采用了最先進(jìn)的接觸測(cè)量技術(shù)，對(duì)如圓度和波紋度進(jìn)行測(cè)量以及根據(jù)ISO 4287標(biāo)準(zhǔn)對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。為了測(cè)量圓度和波紋度，使用了特殊的測(cè)量?jī)x，同時(shí)也可用來(lái)測(cè)量表面粗糙度。測(cè)量主要是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中以隨機(jī)抽樣的方式檢查零件。同時(shí)，為了滿足日益增長(zhǎng)的軸承質(zhì)量要求，必須增大樣本尺寸，但這增加了質(zhì)量檢查所需的時(shí)間。散射光光學(xué)測(cè)量技術(shù)有助于解決這些矛盾的要求。這項(xiàng)技術(shù)基于光從表面的反射，可在一次操作中測(cè)量圓度、波紋度和表面粗糙度。提供潔凈的環(huán)境，就可使用散射光進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并將其集成于如超精和磨削等生產(chǎn)過(guò)程中。此外，周期時(shí)間遠(yuǎn)比接觸測(cè)量短。散射光測(cè)量的結(jié)果可校準(zhǔn)。通過(guò)校準(zhǔn)圓度和波紋度可達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。Aq是從表面粗糙度的光學(xué)結(jié)果得來(lái)的新參數(shù)，雖然其與已知的Ra和Rz值無(wú)關(guān)，但與偶爾使用的Rdq值有關(guān)。

1、散射光技術(shù)的基本原理

散射光技術(shù)是一種檢測(cè)表面微觀形貌的新方法，其由VDA 2009定義。本標(biāo)準(zhǔn)描述了散射光角分辨率的測(cè)量方法，該法特別適用于摩擦因數(shù)要求非常低的光滑表面，其基于光散射定律和鏡面模型。散射光法的概念如圖1所示。入射光以粗糙表面的微觀形貌角φ反射。通過(guò)Fourier光學(xué)，反射光在聚焦平面上傳輸。探測(cè)器記錄散射角的強(qiáng)度分布，也就等同記錄了頻率分布。

鏡面反射的關(guān)系如圖2所示。該面的幾何特征可用角θ或梯度dz/dx表征。幾何光學(xué)允許應(yīng)用如圖2所示的反射定律。表面的輪廓邊緣沒(méi)有高的梯度，因此可假設(shè)為

則散射角為

圖2所示的角分布的方差可像VDA 2009定義的那樣作為參數(shù)Aq進(jìn)行計(jì)算。

式中:θ-為第一統(tǒng)計(jì)動(dòng)差，且為射線束的平均散射角；p(2θ_i)為一個(gè)角類的標(biāo)準(zhǔn)化單一概率。單次超精和多次超精表面的標(biāo)準(zhǔn)化分布如圖3所示。使用(3)式計(jì)算得到Aq =3.80(對(duì)于多次超精表面)和Aq =30.33(對(duì)于單次超精表面)。共聚焦顯微鏡的計(jì)數(shù)測(cè)量顯示了顯著的相關(guān)性。

在計(jì)算表面粗糙度輪廓的梯度分布時(shí)，必須使用λs低通濾波器。此外，還必須考慮測(cè)量?jī)x器的橫向分辨率。

散射光法還可評(píng)估表面宏觀形貌(形狀輪廓)。因此，代表局部梯度的θ-是形狀輪廓的派生參量。形成的2種形狀輪廓測(cè)量值的比較如圖4所示，左邊是光學(xué)測(cè)量，右邊是接觸測(cè)量。這2種測(cè)量方法有明顯的相關(guān)性。

2、對(duì)形狀輪廓進(jìn)行Fourier分析來(lái)評(píng)估聲學(xué)特性

為了預(yù)測(cè)軸承諧波激勵(lì)下的噪聲特性，采用Fourier分析法分析形狀輪廓，其理念是套圈表面上滾動(dòng)的球會(huì)激勵(lì)軸承振動(dòng)。軸承的激勵(lì)可分為寬帶激勵(lì)和諧波激勵(lì)。諧波激勵(lì)下聲音更不悅耳，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生一種單音并在調(diào)制過(guò)程中發(fā)生變化。

滾動(dòng)軸承行業(yè)通常在一種理想條件下，在精密測(cè)量室里用形貌儀測(cè)量形狀和波紋度。這種測(cè)量在生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用是不可取的，因?yàn)榄h(huán)境振動(dòng)會(huì)使測(cè)量結(jié)果失真。這些畸變的測(cè)量極易導(dǎo)致代價(jià)昂貴的誤讀。最大圓度偏差為1.88μm的磨削內(nèi)圈的形狀輪廓如圖5所示，主要由長(zhǎng)波部分主導(dǎo)。使用低通濾波器消除了高頻成分(波紋度和表面粗糙度)，計(jì)算圓度或Δr。

為了評(píng)估高頻部分，形狀輪廓經(jīng)過(guò)FFT(快速Fourier變換)。波數(shù)233處有明顯的峰，如圖5所示。雖然絕對(duì)幅值僅有0.075μm，但導(dǎo)致軸承發(fā)出異常聲。中高頻范圍內(nèi)的頻率(波數(shù)>25)通常是噪聲的來(lái)源。

如圖6所示，超精(精加工)可優(yōu)化精加工、改善表面粗糙度、改善絕對(duì)形狀偏差和降低頻譜中的幅值。因此，形狀輪廓的Fourier分析是保證質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程。

3、散射光技術(shù)在軸承工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 軸承套圈的100%測(cè)量

軸承生產(chǎn)中的質(zhì)量保證需要精密測(cè)量，目的是在大批量和短周期生產(chǎn)時(shí)滿足最嚴(yán)格的公差。由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量費(fèi)用高，例如到實(shí)驗(yàn)室的步行距離長(zhǎng)且測(cè)量周期長(zhǎng)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法只能通過(guò)測(cè)量樣品來(lái)監(jiān)測(cè)過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程中的隨機(jī)誤差極易被忽略。因此，100%在線過(guò)程監(jiān)測(cè)將成為主要優(yōu)勢(shì)。用于100%監(jiān)測(cè)外圈滾道的在線集成測(cè)試機(jī)中的散射光傳感器如圖7所示。散射光傳感器可測(cè)量滾道的形狀、波紋度和表面粗糙度。在球軸承的成批生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的典型故障和未完全超精的溝道實(shí)例如圖8所示。

如果這些誤差位于滾動(dòng)零件的接觸區(qū)域，則軸承在將來(lái)的運(yùn)行中極有可能產(chǎn)生噪聲。在隨機(jī)抽樣檢驗(yàn)中，這些誤差僅能被偶然發(fā)現(xiàn)。

散射光測(cè)量裝置如圖9所示，散射光的1024個(gè)重疊測(cè)量點(diǎn)分布在圓周上。在超精良好的表面，Aq值位于公差邊界之間。磨削套圈的Aq值明顯超過(guò)了公差范圍，極易檢測(cè)出超精不良的局部區(qū)域。當(dāng)對(duì)套圈形狀進(jìn)行評(píng)估時(shí)也獲得類似的結(jié)果。未完全超精套圈的圓度圖和圓度輪廓的幅值譜如圖10所示，在精磨區(qū)域的圓度輪廓中可見局部波紋。幅值譜也顯示了這一誤差，因此可在100%監(jiān)測(cè)中用一條降低的公差曲線將該套圈評(píng)定為缺陷并將其挑除。測(cè)試機(jī)對(duì)1個(gè)套圈進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估僅需不到1 s的時(shí)間，如圖11所示。測(cè)量的強(qiáng)制性要求是表面潔凈。因?yàn)楸砻嫔嫌湍け∏揖鶆蚍植疾粫?huì)影響測(cè)量，所以不需要單獨(dú)的清洗工序。

3.2 測(cè)量滾珠絲杠傳動(dòng)上溝道的波紋度

目前，滾珠絲杠傳動(dòng)是汽車電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成部分。溝道表面質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)向器的噪聲特性有重要影響，球與套圈接觸區(qū)的溝道波紋度至關(guān)重要。精加工工序消除了前一工序產(chǎn)生的波紋。很大的挑戰(zhàn)是運(yùn)行中的軸承性能。如果精加工過(guò)程只是單面進(jìn)行，由于測(cè)量在2個(gè)邊上進(jìn)行，則用坐標(biāo)測(cè)量不能作有用的評(píng)估。散射光能使傳感器擺動(dòng)，并明確地區(qū)分溝道兩邊的波紋度。滾珠絲杠傳動(dòng)的測(cè)量裝置如圖11所示。

4、結(jié)束語(yǔ)

汽車工業(yè)對(duì)滾動(dòng)軸承的質(zhì)量要求越來(lái)越高。表面粗糙度和波紋度公差精確到亞微米。幅值分布和角度分布的統(tǒng)計(jì)值能很好地描述表面粗糙度。然而，在形狀輪廓的Fourier分析的幅值譜中可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的波紋。散射光提供了一種可追蹤的測(cè)量技術(shù)，可計(jì)算表面粗糙度的參數(shù)Aq。散射光可區(qū)分超精和磨削等不同的加工過(guò)程。同時(shí)，利用形狀輪廓的積分可確定形狀輪廓的宏觀梯度。這項(xiàng)技術(shù)穩(wěn)健、快速、非接觸，可用于在生產(chǎn)場(chǎng)地進(jìn)行加工過(guò)程的100%監(jiān)測(cè)。

(來(lái)源：軸承雜志社）