用形態(tài)學(xué)分析預(yù)測(cè)表面函數(shù)

 

圖1:這些表面會(huì)滲漏嗎?相同的Ra、Rz和Wt值意味著這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)這一潛在問(wèn)題的了解很少。
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表面紋理分析對(duì)于理解組件的表面幾何形狀將如何影響其功能是非常重要的。盡管可以通過(guò)紋理參數(shù)跟蹤信息的廣度，但是大多數(shù)工程師仍然只指定基本的、眾所周知的參數(shù)，比如微米級(jí)的平均高度。不幸的是，大多數(shù)表面函數(shù)(摩擦、密封、外觀)不能完全用高度來(lái)測(cè)量，因此指定的參數(shù)通常只能與預(yù)期的函數(shù)松散地關(guān)聯(lián)。

為了使度量最有效，結(jié)果必須預(yù)測(cè)功能。使用表面紋理分析，工程師可以開發(fā)參數(shù)來(lái)建模特定的功能，將這些參數(shù)的控制構(gòu)建為零件公差，并在整個(gè)制造和組件生命周期中控制它們。

這種類型的分析工具之一是形態(tài)濾波，它可以預(yù)測(cè)軟表面將如何符合剛性表面，尖銳的突出物如何集中應(yīng)力，等等。形態(tài)學(xué)濾波器應(yīng)用于表面紋理數(shù)據(jù)，允許我們量化功能，并跟蹤它在生產(chǎn)和整個(gè)組件的生命周期。

常見的表面處理規(guī)范——平均粗糙度(Ra)、平均峰谷高度(Rz)或最大波紋度高度(Wt)——僅基于沿剖面測(cè)量的高度。

不幸的是，這些眾所周知的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并不指出表面將如何展示出來(lái)。圖1顯示了兩個(gè)完全不同的表面，具有幾乎相同的Ra、Rz和Wt值。然而，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并不能說(shuō)明是第一個(gè)表面的尖銳山谷使組件易開裂，還是第二個(gè)表面的扇形可能在配合表面之間創(chuàng)建泄漏路徑。

 

圖2:關(guān)閉的濾波器就像虛擬的密封墊，放置在測(cè)試表面，壓入峰值并在下方留下空隙。開孔濾波器會(huì)暴露出比給定半徑更尖銳的峰值，這可能會(huì)使應(yīng)力集中。
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量化的表面性能

近年來(lái)，表面形貌數(shù)據(jù)分析導(dǎo)致了與特定功能密切相關(guān)的新功能參數(shù)的形成。制造商和維修/翻新設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的規(guī)格，并監(jiān)測(cè)它們，以提高組件的性能和壽命。

其中一種分析被稱為形態(tài)濾波，在這種方法中，給定半徑的虛擬圓被移動(dòng)到地表數(shù)據(jù)上，以突出感興趣的方面。圖2顯示了兩種常見的形態(tài)濾波器類型:閉合濾波器數(shù)學(xué)球沿表面運(yùn)動(dòng);一個(gè)開口濾波器數(shù)學(xué)球從表面下向上推。

一個(gè)關(guān)閉的濾波器就像一個(gè)虛擬的墊圈，跟隨山谷中的峰和葉的空隙。通過(guò)分析關(guān)閉濾波器產(chǎn)生的間隙，可以預(yù)測(cè)墊圈下的潛在泄漏，或識(shí)別應(yīng)力集中可能導(dǎo)致裂紋的尖銳山谷的存在。

一個(gè)開口濾波器突出了表面上比給定半徑更尖銳的波峰。尖峰可能與增加的接觸應(yīng)力、油膜穿透點(diǎn)和表面缺陷有關(guān)。

最重要的是，調(diào)整關(guān)閉和打開濾波器可以顯示材料、制造過(guò)程和公差的變化如何可能提高性能。減少關(guān)閉濾波器的半徑允許球進(jìn)入更多的山谷，從而建模一個(gè)更順從的墊片材料。提高波紋度剖面的截止波長(zhǎng)可以增加虛擬墊圈對(duì)峰值材料的破壞程度，這說(shuō)明了配合面相對(duì)硬度的改變將如何影響密封。這種類型的探索對(duì)于理解根本原因和提出制造挑戰(zhàn)的解決方案非常有價(jià)值。

 

圖3:閉合濾波器充當(dāng)一個(gè)虛擬的試探計(jì)，可重復(fù)在應(yīng)力最可能集中的圓角上確定最鋒利的半徑。

 

預(yù)測(cè)泄露

當(dāng)對(duì)[圖1所示的兩個(gè)表面]的波狀剖面使用5000 mm半徑閉合濾波器時(shí)，濾波器突出了第一個(gè)表面形狀的輕微變化，在表面之下只有很小的空隙。應(yīng)用于第二表面的相同關(guān)閉濾波器顯示出大的、重復(fù)的空隙區(qū)域。如果我們考慮這些表面是否會(huì)形成良好的密封，那么第二個(gè)表面的大空隙區(qū)域?qū)⑹且粋€(gè)問(wèn)題。

為了量化泄漏路徑，提出了單位長(zhǎng)度空隙面積的函數(shù)參數(shù)Wvoid。該參數(shù)按單位長(zhǎng)度歸一化，使其獨(dú)立于計(jì)算長(zhǎng)度，具有更好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

 

虛擬測(cè)隙規(guī)

閉合濾波器也可以像測(cè)隙規(guī)一樣用于定位潛在的應(yīng)力集中器。圖3顯示了檢驗(yàn)曲軸圓角半徑的測(cè)隙規(guī)。這種go-nogo（不執(zhí)行）測(cè)量尋找的是小x射線軸最容易開裂的地方。測(cè)隙規(guī)的使用取決于個(gè)別檢查員對(duì)通過(guò)測(cè)隙規(guī)間隙可見光線的解釋。

在圖3的右邊是一個(gè)橢圓角的激光線掃描。對(duì)橢圓圓角的激光線掃描應(yīng)用閉合濾波器，可以測(cè)量表面偏離其指定值(紅色區(qū)域)和最小半徑的位置。該方法比物理測(cè)隙規(guī)重復(fù)性好得多，提供了定量而非定性的評(píng)價(jià)。當(dāng)測(cè)隙規(guī)通常只用于簡(jiǎn)單的半徑時(shí)，形態(tài)濾波器可以應(yīng)用于任何幾何形狀。

 

注意凸起

>當(dāng)凸點(diǎn)或波峰比整體表面波紋度更重要時(shí)，可以使用開口濾波器。常見的例子是滾子軸承，它的表面和邊緣的局部應(yīng)力必須得到控制，通常是通過(guò)使表面凸出來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

兩個(gè)控制確保正確打磨表面。首先，冠的一般形狀必須保持，這通?？梢蕴幚砼c傳統(tǒng)的型材測(cè)量。其次，必須控制齒冠內(nèi)的局部凸起，以免產(chǎn)生應(yīng)力。形態(tài)學(xué)開口濾波器和Wcvx(波形凹凸度)參數(shù)可以更好地處理這個(gè)控制。

在OmniSurf軟件中，滾子軸承波狀剖面上的開口濾波器可以表示為一個(gè)圖表，顯示了一般的齒冠形狀和開口濾波器剖面上突出的尖銳的、引起應(yīng)力的峰值。最大的上升峰(相對(duì)于開口剖面)被報(bào)道為Wcvx。在Wcvx上設(shè)置公差限制可以簡(jiǎn)化和控制尖銳的峰值，否則可能導(dǎo)致零件過(guò)早磨損或失效。

 

外觀缺陷

Wcvx參數(shù)還可以檢測(cè)人眼可識(shí)別的缺陷，這些缺陷可以避開常見參數(shù)，通過(guò)物理檢查但無(wú)法通過(guò)視覺(jué)檢查。在一種情況下，使用了一個(gè)開口濾波器，并測(cè)量了Wcvx參數(shù)，顯示出表面的一個(gè)脊。眼睛接受表面形狀的輕微變化，即使它們相對(duì)較高。然而，更清晰的特性對(duì)查看器來(lái)說(shuō)是缺陷，即使它們相對(duì)較小。在進(jìn)一步的研究中，Wcvx參數(shù)確定了一個(gè)閾值，在這個(gè)閾值上，尖銳的特征被視為不可接受的缺陷，從而建立一個(gè)質(zhì)量檢查，指定一個(gè)Wcvx限制來(lái)控制這些特征。

 

三維形態(tài)濾波

形態(tài)學(xué)濾波可擴(kuò)展到三維、面數(shù)據(jù)處理。不是在剖面下的間隙區(qū)域，而是基于關(guān)閉表面和測(cè)試表面之間的差異而存在的間隙表面。間隙表面可用于探測(cè)泄漏路徑或確定最大應(yīng)力區(qū)域。

圖4顯示了在OmniSurf3D軟件中，由各種操作的加工標(biāo)記覆蓋的測(cè)量表面。由于測(cè)得的構(gòu)件是在高應(yīng)力環(huán)境下使用的，因此確定可能導(dǎo)致裂紋的應(yīng)力集中器是十分關(guān)鍵的。最深的劃痕似乎預(yù)示著裂縫可能發(fā)生的地方。然而，裂縫往往形成在最凸起的集中器，且不一定很深。

應(yīng)用于該表面的閉合濾波器產(chǎn)生圖4右側(cè)的孔隙表面。黃色區(qū)域表示最尖銳的山谷，是最容易開裂的地方，盡管存在相互競(jìng)爭(zhēng)的表面標(biāo)記，濾波器還是將其隔離。

 

總結(jié)

形態(tài)濾波器和功能參數(shù)使測(cè)量一個(gè)表面的特性成為可能，尤其是與一個(gè)期望的功能相聯(lián)系。閉合和開口濾波器可以揭示隱藏在高程數(shù)據(jù)中影響功能的表面方面。這些濾波器可用于探索可能解決根本原因的材料和方法的更改。這些技術(shù)為工程人員提供了強(qiáng)大的交互式工具，以更好地理解表面功能。更重要的是，它們提供了可以在打印上指定的參數(shù)，以指導(dǎo)生產(chǎn)，并在組件的整個(gè)生命周期中檢查關(guān)鍵特性。

作者簡(jiǎn)介:Mark Malburg博士是一名表面計(jì)量學(xué)家，擁有密歇根理工大學(xué)BSME和MSME學(xué)位，華威大學(xué)博士學(xué)位。在1999年成立Digital Metrology Solutions之前，Mark Malburg作為一名企業(yè)表面計(jì)量師在業(yè)界工作了10年。請(qǐng)撥打812.314.0043與他聯(lián)系。Mike Zecchino是Digital Metrology Solutions公司的技術(shù)溝通經(jīng)理。