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    1. 齒輪技術
      小型化全自動粗糙度測量

      發布時間:2021.09.08 18:11  瀏覽次數:  作者:

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      克林貝格(Klingelnberg)現已有新的粗糙度探針,可用于在精密測量中心上對于模數小至0.9 mm的齒輪進行表面測量??肆重惛?Klingelnberg)因此為其粗糙度測量的探針組件定義了新的技術標準,并為高精度嚙合部件的測量提供了理想的條件,例如用于當前的乘用車變速器中的齒輪部件。 

       

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      完美的傳動功能依靠的不僅是部件的幾何形狀,而且嚙合部件功能表面的質量同樣重要。也就在幾年前,標準傳動系統的批量生產還不太關注這方面。 但得益于新的或改進的加工工藝,光滑的表面可以實現經濟化生產,甚至進行大批量生產?,F代化的加工工藝,例如滾磨光整和拋光磨削在這方面做出了重要的貢獻。


      定義了高精度的表面質量是關鍵因素,并且經常是驅動工程領域實現有效改善的先決條件。特別是在汽車工業,尤其是在電驅動領域,嚙合部件的表面質量非常關鍵:與電驅動結合,轉速極高,對傳動和齒輪設計帶來了新的挑戰。但即便是傳統內燃機驅動,更光滑的齒輪對運轉表現也能做出重要貢獻。Rz小于0.5 μm的齒面現已應用于批量生產,來降低噪音、摩擦及功率損失。

      作為結論,齒輪的粗糙度檢測已變得愈發重要。在這方面,連同傳統的通過采樣長度進行粗糙度測量曲線評估,行業在更多地采用材料比率分析。這提供了額外的有助于評估表面質量的參數(請見下方:粗糙度測量曲線和材料比分析)

       

      粗糙度測量曲線和材料比率分析


      微信圖片_20210909091609.png

      這三個表面輪廓說明了材料比分析的重要性:

      盡管表面的特性由于不同的加工工藝而完全不同,但在三個案例中卻檢測到相同的Ra值。在另一方面,材料比分析從輪廓高度上變化的材料密度,以及從表面上最高的點過渡至實體材料的角度提供了清晰的參數。通過材料比參數 Rk、Rvk 和 Rpk 以及 Mr1 和 Mr2 確定諸如具有寬谷底的高峰或具有窄凹槽的寬平臺的特征,這三個表面顯著不同。


      趨勢引領


      十年前,這些發展甚至還沒有出現,當時克林貝格(Klingelnberg)與一家專門從事表面測量的供應商合作開發了一種粗糙度測量系統,可以更好地記錄粗糙度參數,特別是在齒面上。粗糙度測頭裝備有集成式旋轉裝置,并被小型化到可通過標準的連接盤進行使用,就像克林貝格(Klingelnberg)3D測量系統所用的進行幾何測量的接觸式探針一樣。因此可采用類似于齒輪測量的步驟用于粗糙度檢測,從而保證了更佳的探測條件。

      在此過程中,接觸式探針和粗糙度測頭可以實現自動更換,從而使全自動的完整測量成為可能,在一次裝夾下,實現齒輪測量、尺寸測量、形狀測量、位置測量和粗糙度測量。精密數控測量實現了0.01 μm的重復精度。

       

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      圖1:粗糙度探針和插頭連接器

      除傳感器外,一個精密的可旋轉的裝置也集成到克林貝格(Klingelnberg)緊湊的粗糙度探針內部。因此粗糙度測頭可以像接觸式探針那樣使用連接盤操作,并且可以自動更換。自動插接是它特別便利的特點。


      目前即使是滾磨光整加工的齒輪上精細的結構也能用代表高精度的P系列精密測量中心使用全自動程序進行檢測和分析。


      小結

      新尺寸下的粗糙度檢測

      現代化的制造工藝,例如滾磨光整和拋光磨削,使齒輪部件表面日益光滑。P系列精密測量中心實現了在全自動的測量步驟中對齒輪的幾何形狀和表面質量進行系統化檢測,目前克林貝格(Klingelnberg)可測模數0.9 mm起的齒輪。



       

      里程碑

       

      將粗糙度測量系統集成入精密測量中心的整體理念堪稱里程碑:這是克林貝格(Klingelnberg)的創舉,在全自動齒輪測量過程中進行齒面粗糙度的??肆重惛?Klingelnberg)于2014和2015年為此項開發而榮獲專利。

       

      “我們將齒輪測量的經驗與粗糙度測量的專用技術相結合,但很難預言這將把我們引導到何方,”Jan Haeger,軟件開發部的項目經理在回顧開發過程時這樣說到,“一開始,我們必須極力說服用戶,而如今我們開發的粗糙度測量系統已廣受好評,并且被大量訂購”。

       

      區別于其他眾多的粗糙度測量裝置,克林貝格(Klingelnberg)的系統可以在車間現場的環境下通過全自動步驟實現系統化測量??肆重惛?Klingelnberg)該系統現已成功地應用在全世界數百臺P系列設備上。


      為何采取獨立的技術方案?


      使用其它已有的技術對齒輪零件進行粗糙度檢測并非易事。在技術文獻和粗糙度檢測標準中,經常推薦或要求無導頭式表面粗糙度量具(或基準平面測頭系統)。但是因為沿首選測量方向齒廓存在漸開線曲率,所以使用這樣的系統會產生問題。追蹤條件有時會由于這個曲率而產生顯著的變化,特別是當使用擴展行程長度時。

      總體來說,使用這些系統將有如下不利之處:

      ■ 僅能在部分跟蹤長度上保持金剛石測針沿法向的最佳跟蹤。

      ■ 這種效果導致在濾波時產生錯誤,必須進行補償。

      ■ 探針所發生的大幅度偏移相應地要求有大測量范圍,這就使得測量信號的分辨率受限。

      ■ 為測量齒面粗糙度所進行的調試不但耗時,而且容易出錯。

      ■ 通常不可能在恒定條件下進行系統化的批量測量。

      ■ 系統對于振動很敏感。

       

      “在實驗室的條件下用于基準測量,這些系統毫無疑問是恰當的選擇”,應用工程師Thomas Serafin這樣評價道,“但是在與齒輪測量相結合,并集成入P系列設備的條件下,我們的主要目的是開發一種易用的、可靠的方案,設計為在車間現場使用而不受到振動的影響”。

       

       由克林貝格(Klingelnberg)開發的導頭式表面粗糙度測頭符合了這些要求,并同時允許多至4個機床數控軸的復雜聯動。

       

      導頭式表面粗糙度測頭的優勢

       

      導頭式粗糙度測頭的測量運動受控生成導頭和探針的線性運動。集成式的旋轉裝置將金剛石測針和導頭自動定位到對被測表面的相對最佳位置。

      與采用基準平面測頭系統的測量相比,導頭式系統有如下優勢:

      ■ 在表面的法向上,金剛石測針沿齒面的法向法向在完整的測量路徑內都能夠優化跟蹤,而無需顧慮測量長度。

      ■ 金剛石測針的接觸力可以保持相對最小化,因為導頭的接觸力大很多,可以確保整個測頭系統和齒面的完全接觸。

      ■ 漸開線曲率由測量的展成運動完全補償,可以使測頭沿齒輪表面的掃描幾乎完全線性(見圖2和圖3)。

      ■ 通過3D測頭的偏移來單獨記錄導頭的偏移,獨立于金剛石測針的偏移。

      ■ 金剛石測針僅記錄表面粗糙度。這樣就能夠以更高的分辨率應用于小測量范圍。

      ■ 通過放大和評估導頭與金剛石測針之間的差分信號,可以非常有效地排除振動造成的影響。

      ■ 金剛石測針嵌入導頭桿內,得以免受損傷。


      微信圖片_20210909091649.png

      圖2和圖3

      憑借帶滑動導頭的表面精度探針的優化測量和追蹤策略,曲面對于粗糙度測頭而言是個理想的平面,圖示為沿漸開線齒輪齒形測量的例子。


      研發中的”成敗“點

       

      為了能夠深入小齒槽內,克林貝格(Klingelnberg)選擇了經過特殊設計的導頭,在2012年推出的是用于不小于1.6 mm的模數,整體設計纖巧同時導頭半徑仍較大。它的摩擦特性和在齒面的高度整體化效果提供了高質量的測量信號。除了尖點半徑為5 μm金剛石測針外,測頭還可以配備尖點半徑為2 μm和60°的金剛石測針。


      亮點簡介


      全部P系列精密測量中心均可配備高精度的粗糙度測量裝置。

      ■ 全自動粗糙度測量,齒輪模數從0.9 mm起,也可以用于軸和平面的粗糙度測量。

      ■ 按照DIN EN ISO 4287標準評估粗糙度參數(Ra、Rz、Rt、Rmax)。

      ■ 按照DIN EN ISO 13565-2標準評估材料比參數(Rk、Rpk、Rvk、MR1、MR2)。

      ■ 分辨率高,可達7 nm。

      ■ 內置電動旋轉裝置,用于尖點半徑為2 μm或5 μm的金剛石測針的自動找正。

      ■ 采用與齒輪計量類似的測量步驟以優化跟蹤條件。

      ■ 通過集成于標準的測量程序,使得操作簡化。

      ■ 即便在車間現場的環境下使用,也可確保高精度測量。


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      圖4:用于模數0.9 mm起的全新齒面粗糙度探針放大圖

      表現了導頭和金剛石測針之間的關系。盡管整體系統尺寸極小,但針尖半徑和導頭半徑比卻仍可達到1:1000。該粗糙度測頭標配2 μm / 60°的金剛石測針。

       

      探針的小型化:尖點半徑2 μm


      滾磨光整齒輪滿足了高要求:這些齒面展現了極高的材料比——即具有寬闊平臺和狹窄波谷的表面質量。這對于計量是一種挑戰。在輪廓高度表示中,通常使用相對于表面的大垂直比例尺,正如本例所示。


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      這使深度僅為0.5 μm到1.5 μm的波谷顯得非常窄,看起來似乎無法使用90°的金剛石測針進行測量。放大圖則顯示了最窄的波谷和金剛石測針之間實際的關系。在這樣的情況下,使用尖點半徑為2 μm 的60°金剛石測針即可進一步改善跟蹤的條件。


      現在,從0.9mm模數起

       

      在開發新的用于0.9 mm模數的齒面粗糙度測頭(見圖4)的過程中面臨的挑戰數倍于普通齒面粗糙度測頭??肆重惛?Klingelnberg)在2016年4月底斯圖加特Control 2016展會上首次展示了這項創新。這項特殊研發的設計可以確保跟蹤到盡可能多的齒面,甚至是特別小的齒。為了能夠深入寬度僅為1 mm的齒槽,將導頭和金剛石測針不斷進行更小化改進。

       

      得益于精巧的設計,它仍然可以在縱向和橫向的兩個方向擁有較大的導頭半徑。金剛石測針和導頭之間的距離非常短,因此小齒輪在很短的評估長度上也可覆蓋盡可能大的比例。新的粗糙度測頭為測量用于現代化乘用車變速箱高精度齒輪提供了有利的條件。

       

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      圖5:測量結果以非常清晰的方式輸出,顯示了測量曲線和圖表格式的所選參數。

      布局類似于齒輪測量的報告。粗糙度參數(Ra、Rz、Rt、Rmax)按照DIN EN ISO 4287標準評估。材料比參數(Rk、Rpk、Rvk、MR1、MR2)按照DIN EN ISO 13565-2標準評估。

      圖6.png

      圖6:對比測量

      由用戶進行的對比測量,表現了使用基準面測量系統(紅色)和克林貝格(Klingelnberg)測量(黑色)之間出色的一致性。這不僅限于參數,而且兩條測量曲線的特性都很一致。


      大昌華嘉編譯

      源文件:GEARS inline 03 | 2016


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