ZYGO与Digital Metrology的Mark Malburg博士和Musolff Consulting的Carl Musolff博士讨论了如何最大限度地利用表面参数;他们多年的一线经验为精密制造过程提供了宝贵的见解,以及为什么选择正确的计量类型对控制制造过程至关重要。

T这里有许多不同的方法,设计师为他们的部分指定表面纹理参数。有些规格不错,有些不太好。有些很复杂,有些很简单,虽然现在的制造商都在使用,但公平地说,有些不如其他的有用。

规范的替代品

在最不复杂的情况下,设计工程师可能已经制作、指定或设计了与正在开发的新产品具有类似功能或在类似环境下的组件。他们可能只是简单地复制旧的工程图纸,在它们足够接近的基础上工作,然后使用相同的表面纹理参数和相同的限制。

当环境要求稍高时,设计工程师可能会降低限制,这是一种碰运气的方法,有时有效,有时无效。在其他情况下,他们可能会利用外部供应商的能力。例如,如果设计的是带有o形环的轴,最明显的方法是咨询o形环专家,因为他们在表面纹理参数方面有相当丰富的经验。

对于某些应用程序,决策可能是进行一些建模。当观察粗糙度时,这并不能很好地工作——因为建模能力不能处理粗糙度——但当观察波纹和形状时,建模是更好的。这是特别的情况下,如果寻找两个复杂的组件,例如齿轮,轴承或凸轮轴。这是可能的模型的界面和开发一些相当好的表面纹理配置文件,将工作。

由ZYGO公司的3D光学计量仪器生成的3D表面图(上、下)可以提供丰富的信息,并深入了解表面以及制造过程中可能发生的情况。(礼貌:ZYGO)

也许最苛刻和“高端”的方式指定表面纹理参数是测试。基本上,如果功能测试能够再现最终设计将要进入的环境和操作条件,那么就可以在测试之前和之后对部件进行测量。因此,可以选择表面纹理参数,以区分功能性部件和非功能性部件,或功能良好的部件和可能早期失效的部件。测试可能会花费大量的时间和资源,但当完成测试后,产品设计师会有一组你可以相对放心的参数。

在现实世界中,大多数规范都是遗留下来的。

Musolff说:“表面纹理粗糙度最常见的参数是Ra和Rz,它们并不适合定义功能。”“但它们被使用——我不会说无处不在——但几乎无处不在。它们是人们知道并习惯的参数,所以无论它们是否真的有效,无论它们是否真的定义了一个函数,它们都包含在绘图中。”

马尔伯格说:“我也遇到过这种情况。”“图纸通常只是从以前的版本中复制和粘贴,在规范中没有任何知识。我的客户从60年代到70年代就有过这种公差,但工艺已经改变了,他们无法达到这些限制,如果他们达到了,表面就不能工作。这种反复复制粘贴的手写便条就成了合同。”

了解零件的功能有助于更有效和可靠的制造过程。(礼貌:ZYGO)

表面参数有效吗?

这导致了表面纹理参数规范的核心问题:我们如何知道正在使用的参数是正确的?

穆索夫说:“在最基本的层面上,通过观察表面纹理参数是有可能看到它们的作用的。”“如果你观察一个系统,其中一个部件和另一个部件之间有磨损,你可能会看到表面上的条带或条纹,这将是波纹。对于粗糙度,你不会看到条纹,波长不够大,但如果你看到条纹,你最好在你的规格中包含波浪参数。我认为这是一个运用逻辑的问题。例如,如果你有一个密封垫来密封液体,如果它泄漏了,这可能不是一个粗糙的问题,特别是当液体像油一样相当粘稠的时候。如果你有泄漏,它需要一些区域让流体通过,这再次告诉你的是波纹而不是粗糙。”

“对于‘参数是正确的吗?’通常情况下并非如此,”马尔伯格说。“通常使用的表面纹理参数容易测量和可用。例如,如果你试图控制摩擦,没有摩擦参数,所以你会看粗糙度。如果你想要控制外观,没有外观数字,所以你要试着找出一个你可以测量的与它相关的数字。我认为我们正在改进参数,更好地描述功能。但通常我们衡量的是什么是便宜的,负担得起的,可追踪的。我们测量身高是因为我们可以得到一个国家的身高标准,尽管身高对摩擦力没有影响。”

模板的三维模型。(礼貌:ZYGO)

好的计量的作用是在没有参数能够描述表面的情况下创造性地工作。可用的选项非常多,关键是要从所使用的量规中获得额外的信息。设计工程师需要确定计量系统会产生什么,并能够有效地分析数据。

“你可以从数据中看到很多东西,但最重要的经验之一是要学会从噪音中分离数据的能力——我能相信我的测量吗?”当我们看一个三维表面的图片时,我们看到的是表面还是测量结果中的噪声?”Malburg说。“很多时候,存在不真实的违规情况,所以工程师需要问,‘我能信任数据吗?“这需要一点练习。然而,有一些简单的工具可以采用。例如,如果你从左到右测量一个表面,旋转表面,从右到左测量它,看看它是否是相同的形状。慢速测量,快速测量,用不同的放大率测量,但要开始尝试将测量结果与表面分离。”

“还要问,‘如果我在测量中看到这些特征,这对这个表面有意义吗?Musolff说:“例如,如果你考虑一个研磨表面,这个过程就不应该产生各种各样的随机高峰。”“如果你测量那个表面,得到很多随机的高峰,你测量的东西不是表面。你很可能是在测量碎片。你测量前没有把表面洗干净。所以,使用逻辑。我所看到的以及这部分是如何组成的,当一起看的时候,真的有意义吗?你是否能相信你的仪器告诉你的信息这个问题带来了不确定性的问题。你是否有噪音或其他因素进入你的设备,对你的数据有显著的影响?有很多方法可以测量系统的不确定性,‘会有多少误差?“我的回答怎么会错呢?”’ These aren’t often well understood or well applied, so this is another area that people should become more familiar with.”

马尔伯格说:“关键是把你的表面看作是一个具有良好比例的轮廓图和一个可以移动的漂亮的3D渲染的表面。”“不只是静态图片,而是利用数据旋转的能力,看看各功能之间的关系,这是我们今天拥有的最强大的工具。当一家公司跟我说,‘这是一些不能工作的表面的数据’,然后他们给我一串数字,不是图片,不是我可以看的数据集,而是一列Ra粗糙度值,我经常为此感到困惑。这些数字不是描述性的。我喜欢用的一个比喻是,我从一场音乐会回来,告诉你它是105分贝。但消防车也是如此。最好的建议是去听音乐会;站在那里,倾听它。对于表面,我能给出的最好建议是从一张图片开始;看表面; spin it around; scale it up; scale it down, then start filtering your way into the data to see which wavelengths are present, which shapes are present, and work your way in from a knowledge of function. How does this shape interact with another shape? Not, what is my number? So being aware that surfaces are not numbers, but instead surfaces are shapes and incorporating shape information into conversations through graph plots and models is a game changer. It is the biggest benefit we can give people in our field.” 

Mark Malburg博士是Digital Metrology的总统,致力于测量技术的开发和部署(www.digitalmetrology.com).

Carl Musolff是康明斯公司的退休高级技术顾问,经营Musolff咨询公司。