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(biāo)準(zhǔn)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(xué)，反射光在聚焦平面上傳輸。探測器記錄散射角的強(qiáng)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(xué)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(jìn)行計(jì)算。

式中:θ-為第一統(tǒng)計(jì)動(dòng)差，且為射線束的平均散射角；p(2θ_i)為一個(gè)角類的標(biāo)準(zhǔn)化單一概率。單次超精和多次超精表面的標(biāo)準(zhǔn)化分布如圖3所示。使用(3)式計(jì)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(jì)數(shù)測量顯示了顯著的相關(guān)性。

2、對形狀輪廓進(jìn)行Fourier分析來評估聲學(xué)特性

為了預(yù)測軸承諧波激勵(lì)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(dòng)的球會(huì)激勵(lì)軸承振動(dòng)。軸承的激勵(lì)可分為寬帶激勵(lì)和諧波激勵(lì)。諧波激勵(lì)下聲音更不悅耳，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生一種單音并在調(diào)制過程中發(fā)生變化。

滾動(dòng)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?yàn)榄h(huán)境振動(dòng)會(huì)使測量結(jié)果失真。這些畸變的測量極易導(dǎo)致代價(jià)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(dǎo)。使用低通濾波器消除了高頻成分(波紋度和表面粗糙度)，計(jì)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(dǎo)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。

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(shí)滿足最嚴(yán)格的公差。由于實(shí)驗(yàn)室測量費(fèi)用高，例如到實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)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(shí)例如圖8所示。

如果這些誤差位于滾動(dòng)零件的接觸區(qū)域，則軸承在將來的運(yùn)行中極有可能產(chǎn)生噪聲。在隨機(jī)抽樣檢驗(yàn)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(gè)重疊測量點(diǎn)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(dāng)對套圈形狀進(jìn)行評估時(shí)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(jī)對1個(gè)套圈進(jìn)行測量和評估僅需不到1 s的時(shí)間，如圖11所示。測量的強(qiáng)制性要求是表面潔凈。因?yàn)楸砻嫔嫌湍け∏揖鶆蚍植疾粫?huì)影響測量，所以不需要單獨(dú)的清洗工序。

(來源：軸承雜志社）

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