表面微觀結(jié)構(gòu)二維測(cè)量和三維測(cè)量的應(yīng)用分析
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與表面微觀結(jié)構(gòu)三維測(cè)量相對(duì)應(yīng)的評(píng)定參數(shù)
表面微觀構(gòu)造的二維評(píng)定參數(shù)，其實(shí)也同樣適用於利用鐳射造型技術(shù)加工出的表面。因?yàn)殡m然兩者的工藝過程不同，但配合面需符合的要求、即應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的工藝性能是完全一樣的。然而，若再采用二維測(cè)量的方法來(lái)檢驗(yàn)經(jīng)鐳射造型後形成的表面就會(huì)出現(xiàn)很大的誤差，為了更確切地驗(yàn)證此時(shí)工件表面的微觀構(gòu)造是否符合所要求的工藝性能，必須采用“三維評(píng)價(jià)”做法，并建立了相應(yīng)的評(píng)定參數(shù)和檢測(cè)方法。
事實(shí)上，除個(gè)別參數(shù)外，三維評(píng)定參數(shù)都是建立在二維評(píng)定參數(shù)的基礎(chǔ)上的，且均可以一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)然，就現(xiàn)今已應(yīng)用於實(shí)際也即已創(chuàng)建的參數(shù)的數(shù)量來(lái)看，3D參數(shù)要少的多，但已能覆蓋包括上述表面重要工藝性能的全部涉及項(xiàng)目。以下是一個(gè)對(duì)照表，列出了部分常用的評(píng)定參數(shù)。
表1 二維（2D）和三維（3D）評(píng)定參數(shù)對(duì)照表 
另一個(gè)常用的二維評(píng)定參數(shù)RZ往往被稱為十點(diǎn)高度，其含義是在經(jīng)濾波後的輪廓評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)，5個(gè)最高的輪廓峰高值和5個(gè)最低的輪廓谷深值的絕對(duì)高度的平均值。RZ可以用下式表達(dá)：
而對(duì)應(yīng)的3D評(píng)定參數(shù)的表述形式為：
在眾多3D評(píng)定參數(shù)中，Ssc是極個(gè)別的無(wú)法與2D參數(shù)相對(duì)應(yīng)、且具有獨(dú)特內(nèi)涵的一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)，被稱為波峰曲率算術(shù)平均值，其含義為：在被測(cè)表面輪廓范圍內(nèi)，被測(cè)得的眾多波峰最大曲率的平均值。借助Ssc，就能較全面的了解該工件表面波峰、凸起的大致情況，是呈渾圓狀還是比較尖銳，這對(duì)弄清和更全面地了解配合狀況有很大的意義。Ssc的單位是1/μm，也就是曲率的單位，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
對(duì)於表面微觀結(jié)構(gòu)的二維測(cè)量，無(wú)論采樣、數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)都是基於工件被檢表面的某個(gè)法向截面。而三維測(cè)量則完全不同，它的測(cè)量對(duì)象并非工件表面上的一個(gè)截面，而是某個(gè)區(qū)域。此時(shí)，如果仍采用傳統(tǒng)的觸針式檢測(cè)方法，就必須逐個(gè)在m個(gè)平行的法向面上進(jìn)行測(cè)量，最終根據(jù)這m個(gè)二維測(cè)量的采樣結(jié)果來(lái)做數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)，以反映出被測(cè)區(qū)域的表面微觀特徵。m一般大於100。可以采用與進(jìn)行2D參數(shù)檢測(cè)時(shí)完全相同的粗糙度儀實(shí)現(xiàn)3D參數(shù)檢測(cè)，只是必須增添能提供新的二項(xiàng)功能的相關(guān)硬體、軟件：精密微動(dòng)工作臺(tái)和3D數(shù)據(jù)處理軟件。實(shí)際測(cè)量過程如下：
·如前所述，大頭孔的造型面乃是圓周上的四塊，故實(shí)施檢測(cè)時(shí)需分別進(jìn)行，再統(tǒng)一分析，這就得裝夾、調(diào)整4次才能完成一個(gè)工件的測(cè)量。
·測(cè)頭是沿著圓周方向移動(dòng)的，每完成一次類似於2D的粗糙度測(cè)量後，工作臺(tái)的伺服電機(jī)就會(huì)帶動(dòng)工件平移一個(gè)微小距離e，然後再進(jìn)行下一次測(cè)量。
·對(duì)大頭孔上每一塊造型面的測(cè)量，并不是覆蓋其整個(gè)面積，而只是截取其中一部分，如一種取法是2mm×0.5mm，圓周方向?yàn)?mm。
·具體的儀器設(shè)置為：取樣長(zhǎng)度Lc0.25mm，測(cè)量速度0.5mm/s，X方向和Y方向的采樣密度 2.5μm×2.5μm，X方向是儀器測(cè)頭沿圓周測(cè)量時(shí)的走向，2.5μm是采樣密度；Y方向是工作臺(tái)每次微動(dòng)距離，也即每相隔2.5μm將測(cè)一次；Y方向的長(zhǎng)度是0.5mm，因此完成對(duì)整個(gè)截取面的檢測(cè)需要測(cè)量201次（條）。
由於配備了三維測(cè)量軟件，因此在對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上，就能按照產(chǎn)品（圖紙）技術(shù)要求中規(guī)定的評(píng)定參數(shù)，對(duì)被測(cè)工件的鐳射造型表面做出評(píng)價(jià)，主要的評(píng)定指標(biāo)的設(shè)置有這樣二種：
·沿襲前面介紹的用於珩磨後表面工藝性能評(píng)價(jià)時(shí)所采用的2個(gè)二維評(píng)定參數(shù)Ra和Rpc，只需換成Sa和Spc，這在表1上都是在列的。
·同樣也可評(píng)價(jià)工件造型表面的工藝性能，但所采用的三維評(píng)定參數(shù)為Sa和Ssc，它們的含義在前一節(jié)已作了詳細(xì)說(shuō)明。事實(shí)上，選擇Sa和Ssc顯然能更確切地反映出對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁微觀結(jié)構(gòu)的要求。
當(dāng)選擇所列的設(shè)置值對(duì)連桿鐳射造型表面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用的評(píng)定參數(shù)事實(shí)上就是Sa和Ssc這兩項(xiàng)，且明確規(guī)定了只有當(dāng)符合：Sa≥0.18μm，Ssc≤0.052 1/μm時(shí)，才算合格，即能滿足相應(yīng)的工藝性能的要求。
上述建立在傳統(tǒng)測(cè)量原理基礎(chǔ)上的表面形貌三維檢測(cè)方法存在的先天不足，主要表現(xiàn)在：
·效率太低。以上面描述的對(duì)連桿大頭孔鐳射造型面的測(cè)量過程為例，即使只測(cè)其某一塊（約10×12mm2）中的一個(gè)區(qū)域，耗時(shí)也要近40分鐘，若考慮到輔助時(shí)間，完成該工件全部檢查任務(wù)需時(shí)甚至?xí)_(dá)三個(gè)小時(shí)。
·檢測(cè)質(zhì)量較差。鑒於以下一些原因，決定了利用傳統(tǒng)方式進(jìn)行三維測(cè)量難以得到理想的結(jié)果：
-區(qū)域面積掃描時(shí)由多次單一線掃描拼合而成，線掃描之間的表面形貌資訊丟失。
-觸針式探頭的尺寸導(dǎo)致了在測(cè)量維納米結(jié)構(gòu)和陡峭變化表面時(shí)容易出錯(cuò)。(end)
評(píng)論