粗糙度测量:光学与触控笔曲面轮廓测量

光学轮廓测量仪将成为预测齿轮性能的重要工具,这些工具具有更多的研究和开发物镜,以适应牙齿空间。

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To date,我写过几篇关于接触式触针轮廓术的文章。这种粗糙度测量技术应用于齿轮齿面时,如果遵循ISO标准,是可重复和可复制的。这是目前齿轮行业中齿面粗糙度测量的主要方法。今天的问题是,光学轮廓术是否齿轮接触式触针轮廓术的实用替代品。此外,光学轮廓术是否具有触针轮廓术以外的优势或能力?爱游戏中心官网

光学轮廓测量

所有轮廓计包括两个基本组件:表面检测方法和样本阶段。样本阶段是所捕获的零件的持有和或者。探测器是衡量表面不规则性的原因。一些轮廓计具有移动的探测器,而其他轮廓计量阶段具有移动的采样阶段。或者,阶段和检测器都可以移动,就像一些新的触针轮廓计测量系统一样,其中包含在齿轮检查机器中的一些新的触控笔分流仪测量系统。

接触式触针轮廓仪使用菱形探针检测表面。探针在零件上移动,以确定其表面不规则的高度。结果是二维测量。图1是典型的接触式触针轮廓仪。位于齿轮根部圆角附近的探针将向顶部焊盘移动,以获取齿面粗糙度数据。该装置由经过培训的操作员操作,可在两到三分钟内完成并存储数字化粗糙度测量。对于齿轮侧面,类风湿关节炎rq.是分析耐久性,动态疲劳和微量的所需测量。

图1:典型的手写轮廓仪。(礼貌:REM表面工程)

光学轮廓测量法使用光而不是金刚石尖端探针来检测表面不规则性。这种非接触技术导致三维表面测量。然而,所有光学轮廓计的功能都具有显示二维表面输出,就像触头曲面型轮廓仪一样。根据宾夕法尼亚州立大学材料研究所(PSU / MRI)的说法:“光学轮廓仪是一种显微镜,它通过分束器将灯发出的光分成两条路径。一条路径将光线导向被测表面,另一条路径将光线导向参考镜。两个表面的反射被重新组合并投射到阵列探测器上。当复合光束之间的路径差是几个波长的光或更少的干涉就会发生。这种干扰包含有关测试表面表面轮廓的信息。垂直分辨率可达几埃量级,而横向分辨率取决于物镜,通常在0.3-8微米范围内。”[1]

光学轮廓测定的关键是指示光的方式,使得精确地检测表面不规则性。光到表面的光线方向至关重要。高角度的表面取向不会导致精确或精确的测量。此外,为了能够解析微米表面不规则性,所测量的表面之间的距离和物镜非常小,通常是毫米或更小。

光学轮廓术可采用不同的表面检测方法,如激光三角测量、共焦显微镜、干涉测量或数字全息。光学干涉仪示意图见图2。

图2:光学干涉仪的示意图。(礼貌:Zygo®Corporation)

这是PSU/MRI用于光学测量的仪器类型,在最近AGMA秋季技术会议的论文中提出:“齿轮齿工作表面表面粗糙度测量方法的比较。””[2]

光学轮廓仪的测量速率是基于仪器的电子学对从组件表面反射的光的数据采集速度。

测量表面所需的时间也取决于被扫描的总区域。与联系人曲线相比,光学轮廓计可以捕获更大的表面信息和非常高的速率。此信息可导致一系列分析,具体取决于所需的输出。可以通过光学轮廓测量测量宏和微侧面几何形状(剖面)。通过Y.peng等人来看纸张,“具有三维表面数据的渐开线齿轮的区域评估”,[3]用于测量螺旋侧面的光激光扫描的信息。该技术能够快速三维表面测量到表面铺设和波纹的分辨率。干涉测量和共聚焦性轮廓能够使表面粗糙度测量到亚微米范围。

与接触式手写笔类似,光学轮廓仪是固体仪器,需要很少的维护和利用精密样品进行校准。然而,光学轮廓仪并不适用于车间环境。ISO 25178系列是光学轮廓术的指导标准。

图3:用于光学型仪表测量的轴承赛。(礼貌:REM表面工程)

金属对金属接触表面的光学轮廓术测量如图4所示。图3是一组用于各向同性超精加工试验的小轴承座圈的示意图。对较大的轴承内圈表面进行光学粗糙度测量。图4是该内轴承座圈的粗糙度测量结果。

图4:内轴承赛的光学轮廓测量结果。(礼貌:REM表面工程)

的优点和缺点

多家公司提供这些类型的仪器,光学轮廓术已经是一项成熟的技术,已有20多年的历史。光学轮廓仪能够精确地测量通常在精密制造表面(如齿轮齿面)上发现的粗糙度(类风湿关节炎0.05–5.0微米)。它们的输出可以是二维或三维数据集。它们是稳定的固态仪器,只需要使用精密样品进行定期校准。

那么,为什么接触式触控笔轮廓法取代了光学轮廓法成为当今齿轮工业中主要的粗糙度测量方法呢?爱游戏中心官网有两个基本原因:

首先,成功光学测量的关键是光的方向以及物镜与表面之间的距离。无法精确测量高度倾斜的方向。宏观、非线性形状(曲线)可以通过过滤去除。但是,如果由于表面的可接近性或距离而无法聚焦表面角度,则无法进行测量。换句话说,要光学测量粗糙度,您几乎必须直接定位在表面上方并相对靠近表面。在图3的示例中,这是没有问题,已成功对轴承座圈进行了直接测量。

现在,考虑测量齿轮的齿面。光学轮廓仪位于齿轮齿面顶部焊环附近,无法将齿面长度向下聚焦到齿根圆角区域。透镜太大,无法安装在齿之间,角度太大,无法对焦。

该问题的解决方案是切出牙齿或铸造牙齿的再现。要么允许光学粗糙度测量。切断牙齿可以进行研究,但不是在生产环境中进行质量控制。已被证明是可重复和可重复的铸件。然而,铸件是耗时的并且需要操作员技能。此外,大型齿轮齿的铸件,例如图5中描绘的风力涡轮机齿轮需要专门的技术。

图5:粗糙度测量用大齿铸件。(提供:REM表面工程)

因此,光学轮廓仪不适合齿轮生产环境。镜头很大,很精致,样品台对振动很敏感,而且样品区域和样品必须非常干净,才能使光学聚焦正确。尽管他们可以快速扫描一个表面,但制作一个复制品和安装仪器需要时间。一颗面宽约10毫米、高5毫米的牙齿只需要3到8分钟的扫描时间。但是,器械的安装需要15到20分钟,而牙齿的铸造则需要一个小时甚至更长时间。在齿轮生产质量控制中,基于齿形铸件的光学轮廓法不适用于触针轮廓法。

但是,第二个原因呢?光学轮廓术的一大优点是它可以测量三维表面,从而产生更大的粗糙度细节。三维粗糙度信息能否改善齿轮性能?我想是的,只是还没有。

结论

齿轮公式和指南一直基于二维粗糙度数据,具体而言类风湿关节炎rq,很多年了。但是,我经常引用RMR.作为齿面表面承载力的关键性能指标,即使未在齿轮方程式中使用。ISO 25178-2定义Smr沿着与二维对应物相同的路线,RMR。我相信粗糙度测量的接触区面积通过Smr可能成为未来预测侧翼装载能力的重要指标。要实现这一目标,需要实现两个目标:

一,研究机构需要研究基于接触区域面积粗糙度测量的侧翼的装载能力性能。结果必须先进于预测齿轮性能的改进。

二,轮廓仪行业需要开发一个可以适应牙齿空间的物镜。这将允许直接侧翼光学粗糙度测量,至少降至相对较小的齿间距。只有这个原因,齿轮触控曲面探测器存在。

如果这两个领域能够成功开发,我预测光学轮廓术将成为预测齿轮性能的重要工具。 

参考文献

  1. https://www.mri.psu.edu/materials-characterization-lab/characterization-techniques/optical-microscopy
  2. M. Wagoner等,“齿轮齿工作表面的表面粗糙度测量方法的比较”。19FTM21,2019年10月,AGMA秋季技术会议,底特律,密歇根州。
  3. Y.Peng等人,“利用三维表面数据对渐开线齿轮齿面进行区域评估”,17FTM08,AGMA秋季技术会议。
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REM表面工程技术研究员Mark Michaud是REM表面工程化学加速整理技术的发明者和先驱。他撰写了许多专利和技术论文,并在AGMA董事会任职一届。他继续担任AGMA航空航天委员会副主席,作为AGMA风力涡轮机委员会的成员,并作为ISO 61400-4风力涡轮机委员会的影子代表。可以和他联系mmichaud@remchem.com..