表面形貌分析在预测零件表面性能中的应用

表面纹理分析对于理解零件的表面几何形貌如何影响其表面性能是非常重要的。尽管表面纹理参数传递的信息非常多，但是绝大多数工程师仍然只通过指定基本的、众所周知的粗糙度参数来控制零件的表面性能，比如平均微米级高度波动。然而，大多数表面性能（摩擦、密封、外观）都无法仅用高度波动来衡量，因此粗糙度参数和表面性能的关联程度并不是很高。

 

如果测量结果可以较为准确地预测性能表现，那么可以认定测量方法是行之有效的。通过表面纹理分析，工程师可以构建参数模型来反映特定的表面性能，并通过零件公差控制这些参数，从而在从制造到使用的整个生命周期中，对零件的表面性能进行控制。

 

其中一种该类型的分析工具是形貌滤波，通过它可以模拟出柔性表面与刚性表面接触时的相互作用，以及尖锐凸起会造成应力集中的情况等等。将形貌滤波应用于表面纹理数据的采集上，我们就能量化表面性能，并在整个生命周期中对零件的表面性能进行追踪和控制。

 

常见的表面粗糙度参数——轮廓算术平均偏差(Ra)、平均峰谷高度(Rz)或最大波纹度高度(Wt)——仅基于沿剖面测量的高度。

 

然而，这些常见的统计学参数并不总是能如实地反映零件的表面性能表现。图1中的两个零件，表明形貌特征差异明显但是表面粗糙度值Ra、Rz、Wt几乎完全相等。也就是说这些粗糙度数值并不能真实反映零件的表面特性，通过它们我们无法预测第一个表面的尖锐凹陷会不会引起零件开式裂，或者第二个表面中的扇形波纹是否会影响配合表面的密封性。

 

 

量化表面性能

 

近年来，表面形貌数据分析技术不断发展，新的与特定表面性能密切关联的参数也随即产生。制造商和维修维护服务商可以通过引入这些新的参数，提高零部件的性能表现和使用寿命。

 

形貌滤波是其中一种分析工具。在这种方法中，给定半径的虚拟圆在零件表面移动，以显示出表面的凸起和凹陷。图二展现了两种常见的形貌滤波：一种是闭式滤波——数字虚拟圆沿表面滑动；一种是开式滤波——数字虚拟圆被从表面下方推动。

 

 

闭式滤波就像一个虚拟的垫片，能够紧密贴合表面的凸起和凹陷处。通过分析闭式滤波的间隙，可以预测零件配合表面的密闭式性，或者可以识别出表面的尖锐凹陷，从而找出应力集中和有开式裂危险的区域。

 

开式滤波可以显示出表面上比给定半径尖锐的凸起区域。尖锐凸起与应力集中、油膜刺穿以及外观缺陷紧密相关。

 

最重要的是，通过调整开式、闭式形貌滤波，可以了解如何改变材料、制造工艺和公差，才能改善零件的性能表现。例如，减小闭式滤波的虚拟圆半径，就能深入更多的凹陷谷底，也就是让虚拟的垫片更加贴合零件表面，从而更为细致地探明表面的密封特性。增加波纹轮廓的截止波长，相当于增大了虚拟垫片对材料凸起部分的挤压，可以展现改变配合表面的相对硬度将如何影响密封性能。这样的探索对于理解表面性能的根本成因，找到最佳的制造解决方案是非常有价值的。

 

预测渗漏区域

 

用半径为5,000mm的闭式滤波来测量图一中两表面，会显示，第一个表面的波纹起伏较为平缓，空隙深度较小。而第二个表面有重复性出现的空隙区域，且深度较大。如果我们考量的是零件接触面的密封性能的话，第二个表面会有很大问题。

 

为了量化渗漏程度，提出了新的表面功能参数Wvoid，它代表单位长度上的空隙面积。该参数将单位长度归一化，也就是独立于计算长度，具有更好的重复性和稳定性。

 

虚拟塞尺

 

闭式滤波还可以充当虚拟塞规，用于定位潜在的应力集中区域。图三的左侧，显示的是用物理塞规测量曲轴上的圆角半径。用这种测量方法可以找到曲轴上圆角半径最小的位置，也就是最容易出现断裂的位置。但是由于每个检验员对于透过塞规空隙的光线多少的判定有所不同，因此检验结果也可能存在出入。

 

 

图3的右侧，显示的是使用激光扫描椭圆形圆角所形成的轨迹。将闭式滤波应用于椭圆形圆角的激光扫描线，可以显示出与指定圆角值偏离较大的区域（红色区域）和半径最小的位置。这种测量方法比物理塞尺更具可重复性，可以作为定量评估而非定性评估的依据。物理塞规通常只能测量简单的圆角半径，而形貌滤波却能应用于任何几何性状特征的测量。

 

显示尖锐凸起的区域

 

当表面的凸起区域或波纹波峰，而不是整体波纹度，对性能影响起关键性作用时，应该采用开式滤波。其中一个常见的例子是滚子轴承，必须对滚动体表面的局部应力加以控制，通常采用的方法是对滚动体表面进行鼓形修整。

 

要保证轴承的内外圈与滚动体进入正确的摩擦状态，必须控制好两个要素。首先，必须保证鼓形轮廓的准确性，通常可以通过传统的轮廓测量来控制。其次，必须对鼓形轮廓表面的凸起区域加以控制，因为这些区域的应力集中最严重。开式形貌滤波和Wcvx数值（波纹凸度）都能很好地控制表面凸起的程度。

 

将开式滤波应用于滚子轴承表面分析时，可以使用OmniSurf软件来显示其波纹轮廓曲线，该曲线可以用于鼓形轮廓的形状分析，以及找到表面尖锐凸起处和应力集中区域。尖锐凸起的峰值用参数Wcvx表示。用公差值对Wcvx加以限制，可以有效预防零件出现过早磨损失效。

 

外观缺陷

 

Wcvx参数还可以用于控制外观瑕疵，这些瑕疵有时无法通过常规检验参数侦测，只能通过肉眼检查。在一种情况下，应有开式滤波和Wcvx参数可以侦测到零件表面的凸起部分。有时凸起部分的峰值已经相对较高，如果起伏比较缓和，肉眼也无法察觉到。但是，在凸起部分比较尖锐时，即使峰值较小，肉眼仍然可以察觉到。经过进一步研究，可以将Wcvx参数引入到外观检查规范中，将其设置为外观瑕疵的阈值。

 

3D形貌滤波

 

可以将形貌滤波数据转换成3D表面形貌模型。闭式滤波侦测面和测试面之间的差异就是间隙表面。间隙表面可用于探测渗漏路径或最大应力区域。

 

图4为OmniSurf3D软件中显示的形貌滤波表面，通过各种软件操作可以对其进行相关标记。由于被测零件应用于高应力场合，因此标定应力集中区域对预防开裂来说是至关重要的。一般认为零件上最深划痕出现的地方就是断裂发生的地方。然而，事实上断裂更倾向于发生在应力集中最严重的区域。

 

图4右侧显示的是应用闭式滤波采集到的表面空隙区域。黄色区域表示空隙最深的区域，也就是最可能发生开裂的区域，与其它正常表面有很明显的区别。

 

 

结论

 

形貌滤波技术和新的功能参数的引入，使得找到并控制与零件性能密切相关的表面属性成为可能。闭式和开式滤波可以让潜藏在常规粗糙度检测中的潜在失效风险浮出水面。改变材料和制造工艺将对零件的表面性能产生很大影响，形貌滤波技术对于理解这些影响的内在成因非常有帮助。这项技术也为工程人员提供了强有力的交互型研发工具，让他们能够直观地了解零件的表面性能。更重要的是，该技术提供了一系列的量化参数，可以用于指导生产，控制零部件的整个生命周期。