軸承生產(chǎn)中的散射光：一次測量圓度、波紋度及表面粗糙度

1、散射光技術(shù)的基本原理

散射光技術(shù)是一種檢測表面微觀(guān)形貌的新方法，其由VDA 2009定義。本標準描述了散射光角分辨率的測量方法，該法特別適用于摩擦因數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(guān)形貌角φ反射。通過(guò)Fourier光學(xué)，反射光在聚焦平面上傳輸。探測器記錄散射角的強度分布，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Aq進(jìn)行計算。

式中:θ-為第一統計動(dòng)差，且為射線(xiàn)束的平均散射角；p(2θ_i)為一個(gè)角類(lèi)的標準化單一概率。單次超精和多次超精表面的標準化分布如圖3所示。使用(3)式計算得到Aq =3.80(對于多次超精表面)和Aq =30.33(對于單次超精表面)。共聚焦顯微鏡的計數測量顯示了顯著(zhù)的相關(guān)性。

2、對形狀輪廓進(jìn)行Fourier分析來(lái)評估聲學(xué)特性

為了預測軸承諧波激勵下的噪聲特性，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 )激勵軸承振動(dòng)。軸承的激勵可分為寬帶激勵和諧波激勵。諧波激勵下聲音更不悅耳，因為會(huì )產(chǎn)生一種單音并在調制過(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，在精密測量室里用形貌儀測量形狀和波紋度。這種測量在生產(chǎn)環(huán)境的應用是不可取的，因為環(huán)境振動(dòng)會(huì )使測量結果失真。這些畸變的測量極易導致代價(jià)昂貴的誤讀。最大圓度偏差為1.88μm的磨削內圈的形狀輪廓如圖5所示，主要由長(cháng)波部分主導。使用低通濾波器消除了高頻成分(波紋度和表面粗糙度)，計算圓度或Δr。

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

3、散射光技術(shù)在軸承工業(yè)中的應用

3.1 軸承套圈的100%測量

軸承生產(chǎn)中的質(zhì)量保證需要精密測量，目的是在大批量和短周期生產(chǎn)時(shí)滿(mǎn)足最嚴格的公差。由于實(shí)驗室測量費用高，例如到實(shí)驗室的步行距離長(cháng)且測量周期長(cháng)，傳統的測量方法只能通過(guò)測量樣品來(lái)監測過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程中的隨機誤差極易被忽略。因此，100%在線(xiàn)過(guò)程監測將成為主要優(yōu)勢。用于100%監測外圈滾道的在線(xiàn)集成測試機中的散射光傳感器如圖7所示。散射光傳感器可測量滾道的形狀、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)零件的接觸區域，則軸承在將來(lái)的運行中極有可能產(chǎn)生噪聲。在隨機抽樣檢驗中，這些誤差僅能被偶然發(fā)現。

散射光測量裝置如圖9所示，散射光的1024個(gè)重疊測量點(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，極易檢測出超精不良的局部區域。當對套圈形狀進(jìn)行評估時(shí)也獲得類(lèi)似的結果。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，在精磨區域的圓度輪廓中可見(jiàn)局部波紋。幅值譜也顯示了這一誤差，因此可在100%監測中用一條降低的公差曲線(xiàn)將該套圈評定為缺陷并將其挑除。測試機對1個(gè)套圈進(jìn)行測量和評估僅需不到1 s的時(shí)間，如圖11所示。測量的強制性要求是表面潔凈。因為表面上油膜薄且均勻分布不會(huì )影響測量，所以不需要單獨的清洗工序。

(來(lái)源：軸承雜志社）

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