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

軸承是精密機械零件，對滾動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)過程必須滿足亞微米級公差。為了驗證生產(chǎn)質(zhì)量，采用了最先進的接觸測量技術(shù)，對如圓度和波紋度進行測量以及根據(jù)ISO 4287標準對表面粗糙度進行測量。為了測量圓度和波紋度，使用了特殊的測量儀，同時也可用來測量表面粗糙度。測量主要是在實驗室環(huán)境中以隨機抽樣的方式檢查零件。同時，為了滿足日益增長的軸承質(zhì)量要求，必須增大樣本尺寸，但這增加了質(zhì)量檢查所需的時間。散射光光學測量技術(shù)有助于解決這些矛盾的要求。這項技術(shù)基于光從表面的反射，可在一次操作中測量圓度、波紋度和表面粗糙度。提供潔凈的環(huán)境，就可使用散射光進行自動測量，并將其集成于如超精和磨削等生產(chǎn)過程中。此外，周期時間遠比接觸測量短。散射光測量的結(jié)果可校準。通過校準圓度和波紋度可達到國際標準。Aq是從表面粗糙度的光學結(jié)果得來的新參數(shù)，雖然其與已知的Ra和Rz值無關(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)是一種檢測表面微觀形貌的新方法，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(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Fourier光學，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。幾何光學允許應(yīng)用如圖2所示的反射定律。表面的輪廓邊緣沒有高的梯度，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進行計算。

式中:θ-為第一統(tǒng)計動差，且為射線束的平均散射角；p(2θ_i)為一個角類的標準化單一概率。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(shù)測量顯示了顯著的相關(guān)性。

在計算表面粗糙度輪廓的梯度分布時，必須使用λs低通濾波器。此外，還必須考慮測量儀器的橫向分辨率。

散射光法還可評估表面宏觀形貌(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種形狀輪廓測量值的比較如圖4所示，左邊是光學測量，右邊是接觸測量。這2種測量方法有明顯的相關(guān)性。

2、對形狀輪廓進行Fourier分析來評估聲學特性

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的球會激勵軸承振動。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，因為會產(chǎn)生一種單音并在調(diào)制過程中發(fā)生變化。

滾動軸承行業(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(yīng)用是不可取的，因為環(huán)境振動會使測量結(jié)果失真。這些畸變的測量極易導致代價昂貴的誤讀。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。雖然絕對幅值僅有0.075μm，但導致軸承發(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)量的標準過程。

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)時滿足最嚴格的公差。由于實驗室測量費用高，例如到實驗室的步行距離長且測量周期長，傳統(tǒng)的測量方法只能通過測量樣品來監(jiān)測過程，生產(chǎn)過程中的隨機誤差極易被忽略。因此，100%在線過程監(jiān)測將成為主要優(yōu)勢。用于100%監(jiān)測外圈滾道的在線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(xiàn)的典型故障和未完全超精的溝道實例如圖8所示。

如果這些誤差位于滾動零件的接觸區(qū)域，則軸承在將來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(xiàn)。

散射光測量裝置如圖9所示，散射光的1024個重疊測量點分布在圓周上。在超精良好的表面，Aq值位于公差邊界之間。磨削套圈的Aq值明顯超過了公差范圍，極易檢測出超精不良的局部區(qū)域。當對套圈形狀進行評估時也獲得類似的結(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)測中用一條降低的公差曲線將該套圈評定為缺陷并將其挑除。測試機對1個套圈進行測量和評估僅需不到1 s的時間，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影響測量，所以不需要單獨的清洗工序。

3.2 測量滾珠絲杠傳動上溝道的波紋度

目前，滾珠絲杠傳動是汽車電子動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成部分。溝道表面質(zhì)量對轉(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)是運行中的軸承性能。如果精加工過程只是單面進行，由于測量在2個邊上進行，則用坐標測量不能作有用的評估。散射光能使傳感器擺動，并明確地區(qū)分溝道兩邊的波紋度。滾珠絲杠傳動的測量裝置如圖11所示。

4、結(jié)束語

汽車工業(yè)對滾動軸承的質(zhì)量要求越來越高。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量技術(shù)，可計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程。同時，利用形狀輪廓的積分可確定形狀輪廓的宏觀梯度。這項技術(shù)穩(wěn)健、快速、非接觸，可用于在生產(chǎn)場地進行加工過程的100%監(jiān)測。

(來源：軸承雜志社）