Digital Metrology : 用形态学分析预测表面函数

用形态学分析预测表面函数

 

图1:这些表面会渗漏吗?相同的Ra、Rz和Wt值意味着这些统计数据对这一潜在问题的了解很少。
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表面纹理分析对于理解组件的表面几何形状将如何影响其功能是非常重要的。尽管可以通过纹理参数跟踪信息的广度，但是大多数工程师仍然只指定基本的、众所周知的参数，比如微米级的平均高度。不幸的是，大多数表面函数(摩擦、密封、外观)不能完全用高度来测量，因此指定的参数通常只能与预期的函数松散地关联。

为了使度量最有效，结果必须预测功能。使用表面纹理分析，工程师可以开发参数来建模特定的功能，将这些参数的控制构建为零件公差，并在整个制造和组件生命周期中控制它们。

这种类型的分析工具之一是形态滤波，它可以预测软表面将如何符合刚性表面，尖锐的突出物如何集中应力，等等。形态学滤波器应用于表面纹理数据，允许我们量化功能，并跟踪它在生产和整个组件的生命周期。

常见的表面处理规范——平均粗糙度(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。

不幸的是，这些众所周知的统计数据并不指出表面将如何展示出来。图1显示了两个完全不同的表面，具有几乎相同的Ra、Rz和Wt值。然而，这些统计数据并不能说明是第一个表面的尖锐山谷使组件易开裂，还是第二个表面的扇形可能在配合表面之间创建泄漏路径。

 

图2:关闭的滤波器就像虚拟的密封垫，放置在测试表面，压入峰值并在下方留下空隙。开孔滤波器会暴露出比给定半径更尖锐的峰值，这可能会使应力集中。
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量化的表面性能

近年来，表面形貌数据分析导致了与特定功能密切相关的新功能参数的形成。制造商和维修/翻新设施可以实现这些参数的规格，并监测它们，以提高组件的性能和寿命。

其中一种分析被称为形态滤波，在这种方法中，给定半径的虚拟圆被移动到地表数据上，以突出感兴趣的方面。图2显示了两种常见的形态滤波器类型:闭合滤波器数学球沿表面运动;一个开口滤波器数学球从表面下向上推。

一个关闭的滤波器就像一个虚拟的垫圈，跟随山谷中的峰和叶的空隙。通过分析关闭滤波器产生的间隙，可以预测垫圈下的潜在泄漏，或识别应力集中可能导致裂纹的尖锐山谷的存在。

一个开口滤波器突出了表面上比给定半径更尖锐的波峰。尖峰可能与增加的接触应力、油膜穿透点和表面缺陷有关。

最重要的是，调整关闭和打开滤波器可以显示材料、制造过程和公差的变化如何可能提高性能。减少关闭滤波器的半径允许球进入更多的山谷，从而建模一个更顺从的垫片材料。提高波纹度剖面的截止波长可以增加虚拟垫圈对峰值材料的破坏程度，这说明了配合面相对硬度的改变将如何影响密封。这种类型的探索对于理解根本原因和提出制造挑战的解决方案非常有价值。

 

图3:闭合滤波器充当一个虚拟的试探计，可重复在应力最可能集中的圆角上确定最锋利的半径。

 

预测泄露

当对[图1所示的两个表面]的波状剖面使用5000 mm半径闭合滤波器时，滤波器突出了第一个表面形状的轻微变化，在表面之下只有很小的空隙。应用于第二表面的相同关闭滤波器显示出大的、重复的空隙区域。如果我们考虑这些表面是否会形成良好的密封，那么第二个表面的大空隙区域将是一个问题。

为了量化泄漏路径，提出了单位长度空隙面积的函数参数Wvoid。该参数按单位长度归一化，使其独立于计算长度，具有更好的重复性和稳定性。

 

虚拟测隙规

闭合滤波器也可以像测隙规一样用于定位潜在的应力集中器。图3显示了检验曲轴圆角半径的测隙规。这种go-nogo（不执行）测量寻找的是小x射线轴最容易开裂的地方。测隙规的使用取决于个别检查员对通过测隙规间隙可见光线的解释。

在图3的右边是一个椭圆角的激光线扫描。对椭圆圆角的激光线扫描应用闭合滤波器，可以测量表面偏离其指定值(红色区域)和最小半径的位置。该方法比物理测隙规重复性好得多，提供了定量而非定性的评价。当测隙规通常只用于简单的半径时，形态滤波器可以应用于任何几何形状。

 

注意凸起

>当凸点或波峰比整体表面波纹度更重要时，可以使用开口滤波器。常见的例子是滚子轴承，它的表面和边缘的局部应力必须得到控制，通常是通过使表面凸出来实现的。

两个控制确保正确打磨表面。首先，冠的一般形状必须保持，这通常可以处理与传统的型材测量。其次，必须控制齿冠内的局部凸起，以免产生应力。形态学开口滤波器和Wcvx(波形凹凸度)参数可以更好地处理这个控制。

在OmniSurf软件中，滚子轴承波状剖面上的开口滤波器可以表示为一个图表，显示了一般的齿冠形状和开口滤波器剖面上突出的尖锐的、引起应力的峰值。最大的上升峰(相对于开口剖面)被报道为Wcvx。在Wcvx上设置公差限制可以简化和控制尖锐的峰值，否则可能导致零件过早磨损或失效。

 

外观缺陷

Wcvx参数还可以检测人眼可识别的缺陷，这些缺陷可以避开常见参数，通过物理检查但无法通过视觉检查。在一种情况下，使用了一个开口滤波器，并测量了Wcvx参数，显示出表面的一个脊。眼睛接受表面形状的轻微变化，即使它们相对较高。然而，更清晰的特性对查看器来说是缺陷，即使它们相对较小。在进一步的研究中，Wcvx参数确定了一个阈值，在这个阈值上，尖锐的特征被视为不可接受的缺陷，从而建立一个质量检查，指定一个Wcvx限制来控制这些特征。

 

三维形态滤波

形态学滤波可扩展到三维、面数据处理。不是在剖面下的间隙区域，而是基于关闭表面和测试表面之间的差异而存在的间隙表面。间隙表面可用于探测泄漏路径或确定最大应力区域。

图4显示了在OmniSurf3D软件中，由各种操作的加工标记覆盖的测量表面。由于测得的构件是在高应力环境下使用的，因此确定可能导致裂纹的应力集中器是十分关键的。最深的划痕似乎预示着裂缝可能发生的地方。然而，裂缝往往形成在最凸起的集中器，且不一定很深。

应用于该表面的闭合滤波器产生图4右侧的孔隙表面。黄色区域表示最尖锐的山谷，是最容易开裂的地方，尽管存在相互竞争的表面标记，滤波器还是将其隔离。

 

总结

形态滤波器和功能参数使测量一个表面的特性成为可能，尤其是与一个期望的功能相联系。闭合和开口滤波器可以揭示隐藏在高程数据中影响功能的表面方面。这些滤波器可用于探索可能解决根本原因的材料和方法的更改。这些技术为工程人员提供了强大的交互式工具，以更好地理解表面功能。更重要的是，它们提供了可以在打印上指定的参数，以指导生产，并在组件的整个生命周期中检查关键特性。

作者简介:Mark Malburg博士是一名表面计量学家，拥有密歇根理工大学BSME和MSME学位，华威大学博士学位。在1999年成立Digital Metrology Solutions之前，Mark Malburg作为一名企业表面计量师在业界工作了10年。请拨打812.314.0043与他联系。Mike Zecchino是Digital Metrology Solutions公司的技术沟通经理。