完美的傳動(dòng)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(zhì)量同樣重要。也就在幾年前，標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)系統(tǒng)的批量生產(chǎn)還不太關(guān)注這方面。

　　但得益于新的或改進(jìn)的加工工藝，光滑的表面可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化生產(chǎn)，甚至進(jìn)行大批量生產(chǎn)?，F(xiàn)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(xiàn)。

　　定義了高精度的表面質(zhì)量是關(guān)鍵因素，并且經(jīng)常是驅(qū)動(dòng)工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)有效改善的先決條件。

　　特別是在汽車(chē)工業(yè)，尤其是在電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，嚙合部件的表面質(zhì)量非常關(guān)鍵：與電驅(qū)動(dòng)結(jié)合，轉(zhuǎn)速極高，對(duì)傳動(dòng)和齒輪設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。但即便是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，更光滑的齒輪對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)表現(xiàn)也能做出重要貢獻(xiàn)。Rz小于0.5 μm的齒面現(xiàn)已應(yīng)用于批量生產(chǎn)，來(lái)降低噪音、摩擦及功率損失。

　　作為結(jié)論，齒輪的粗糙度檢測(cè)已變得愈發(fā)重要。

　　在這方面，連同傳統(tǒng)的通過(guò)采樣長(zhǎng)度進(jìn)行粗糙度測(cè)量曲線(xiàn)評(píng)估，行業(yè)在更多地采用材料比率分析。這提供了額外的有助于評(píng)估表面質(zhì)量的參數(shù)(請(qǐng)見(jiàn)下方：粗糙度測(cè)量曲線(xiàn)和材料比分析)

　　粗糙度測(cè)量曲線(xiàn)和材料比率分析

　　這三個(gè)表面輪廓說(shuō)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(gè)案例中卻檢測(cè)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(diǎn)過(guò)渡至實(shí)體材料的角度提供了清晰的參數(shù)。

　　通過(guò)材料比參數(shù) 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(tái)的特征，這三個(gè)表面顯著不同。

　　趨勢(shì)引領(lǐng)

　　十年前，這些發(fā)展甚至還沒(méi)有出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)克林貝格(Klingelnberg)與一家專(zhuān)門(mén)從事表面測(cè)量的供應(yīng)商合作開(kāi)發(fā)了一種粗糙度測(cè)量系統(tǒng)，可以更好地記錄粗糙度參數(shù)，特別是在齒面上。

　　粗糙度測(cè)頭裝備有集成式旋轉(zhuǎn)裝置，并被小型化到可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的連接盤(pán)進(jìn)行使用，就像克林貝格(Klingelnberg)3D測(cè)量系統(tǒng)所用的進(jìn)行幾何測(cè)量的接觸式探針一樣。

　　因此可采用類(lèi)似于齒輪測(cè)量的步驟用于粗糙度檢測(cè)，從而保證了更佳的探測(cè)條件。

　　在此過(guò)程中，接觸式探針和粗糙度測(cè)頭可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換，從而使全自動(dòng)的完整測(cè)量成為可能，在一次裝夾下，實(shí)現(xiàn)齒輪測(cè)量、尺寸測(cè)量、形狀測(cè)量、位置測(cè)量和粗糙度測(cè)量。精密數(shù)控測(cè)量實(shí)現(xiàn)了0.01 μm的重復(fù)精度。

　　圖1：粗糙度探針和插頭連接器

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

　　目前即使是滾磨光整加工的齒輪上精細(xì)的結(jié)構(gòu)也能用代表高精度的P系列精密測(cè)量中心使用全自動(dòng)程序進(jìn)行檢測(cè)和分析。

　　小結(jié)

　　新尺寸下的粗糙度檢測(cè)

　　現(xiàn)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(cè)量中心實(shí)現(xiàn)了在全自動(dòng)的測(cè)量步驟中對(duì)齒輪的幾何形狀和表面質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)化檢測(cè)，目前克林貝格(Klingelnberg)可測(cè)模數(shù)0.9 mm起的齒輪。

　　里程碑

　　將粗糙度測(cè)量系統(tǒng)集成入精密測(cè)量中心的整體理念堪稱(chēng)里程碑：

　　這是克林貝格(Klingelnberg)的創(chuàng)舉，在全自動(dòng)齒輪測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行齒面粗糙度的。克林貝格(Klingelnberg)于2014和2015年為此項(xiàng)開(kāi)發(fā)而榮獲專(zhuān)利。

　　“我們將齒輪測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)與粗糙度測(cè)量的專(zhuān)用技術(shù)相結(jié)合，但很難預(yù)言這將把我們引導(dǎo)到何方，”Jan Haeger，軟件開(kāi)發(fā)部的項(xiàng)目經(jīng)理在回顧開(kāi)發(fā)過(guò)程時(shí)這樣說(shuō)到，“一開(kāi)始，我們必須極力說(shuō)服用戶(hù)，而如今我們開(kāi)發(fā)的粗糙度測(cè)量系統(tǒng)已廣受好評(píng)，并且被大量訂購(gòu)”。

　　區(qū)別于其他眾多的粗糙度測(cè)量裝置，克林貝格(Klingelnberg)的系統(tǒng)可以在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境下通過(guò)全自動(dòng)步驟實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化測(cè)量?？肆重惛?Klingelnberg)該系統(tǒng)現(xiàn)已成功地應(yīng)用在全世界數(shù)百臺(tái)P系列設(shè)備上。

        為何采取獨(dú)立的技術(shù)方案?

　　使用其它已有的技術(shù)對(duì)齒輪零件進(jìn)行粗糙度檢測(cè)并非易事。在技術(shù)文獻(xiàn)和粗糙度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，經(jīng)常推薦或要求無(wú)導(dǎo)頭式表面粗糙度量具(或基準(zhǔn)平面測(cè)頭系統(tǒng))。

　　但是因?yàn)檠厥走x測(cè)量方向齒廓存在漸開(kāi)線(xiàn)曲率，所以使用這樣的系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。追蹤條件有時(shí)會(huì)由于這個(gè)曲率而產(chǎn)生顯著的變化，特別是當(dāng)使用擴(kuò)展行程長(zhǎng)度時(shí)。

　　總體來(lái)說(shuō)，使用這些系統(tǒng)將有如下不利之處：

　　■ 僅能在部分跟蹤長(zhǎng)度上保持金剛石測(cè)針沿法向的最佳跟蹤。

　　■ 這種效果導(dǎo)致在濾波時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤，必須進(jìn)行補(bǔ)償。

　　■ 探針?biāo)l(fā)生的大幅度偏移相應(yīng)地要求有大測(cè)量范圍，這就使得測(cè)量信號(hào)的分辨率受限。

　　■ 為測(cè)量齒面粗糙度所進(jìn)行的調(diào)試不但耗時(shí)，而且容易出錯(cuò)。

　　■ 通常不可能在恒定條件下進(jìn)行系統(tǒng)化的批量測(cè)量。

　　■ 系統(tǒng)對(duì)于振動(dòng)很敏感。

　　“在實(shí)驗(yàn)室的條件下用于基準(zhǔn)測(cè)量，這些系統(tǒng)毫無(wú)疑問(wèn)是恰當(dāng)?shù)倪x擇”，應(yīng)用工程師Thomas Serafin這樣評(píng)價(jià)道，“但是在與齒輪測(cè)量相結(jié)合，并集成入P系列設(shè)備的條件下，我們的主要目的是開(kāi)發(fā)一種易用的、可靠的方案，設(shè)計(jì)為在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)使用而不受到振動(dòng)的影響”。

　　由克林貝格(Klingelnberg)開(kāi)發(fā)的導(dǎo)頭式表面粗糙度測(cè)頭符合了這些要求，并同時(shí)允許多至4個(gè)機(jī)床數(shù)控軸的復(fù)雜聯(lián)動(dòng)。

　　導(dǎo)頭式表面粗糙度測(cè)頭的優(yōu)勢(shì)

　　導(dǎo)頭式粗糙度測(cè)頭的測(cè)量運(yùn)動(dòng)受控生成導(dǎo)頭和探針的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。集成式的旋轉(zhuǎn)裝置將金剛石測(cè)針和導(dǎo)頭自動(dòng)定位到對(duì)被測(cè)表面的相對(duì)最佳位置。

　　與采用基準(zhǔn)平面測(cè)頭系統(tǒng)的測(cè)量相比，導(dǎo)頭式系統(tǒng)有如下優(yōu)勢(shì)：

　　■ 在表面的法向上，金剛石測(cè)針沿齒面的法向法向在完整的測(cè)量路徑內(nèi)都能夠優(yōu)化跟蹤，而無(wú)需顧慮測(cè)量長(zhǎng)度。

　　■ 金剛石測(cè)針的接觸力可以保持相對(duì)最小化，因?yàn)閷?dǎo)頭的接觸力大很多，可以確保整個(gè)測(cè)頭系統(tǒng)和齒面的完全接觸。

　　■ 漸開(kāi)線(xiàn)曲率由測(cè)量的展成運(yùn)動(dòng)完全補(bǔ)償，可以使測(cè)頭沿齒輪表面的掃描幾乎完全線(xiàn)性(見(jiàn)圖2和圖3)。

　　■ 通過(guò)3D測(cè)頭的偏移來(lái)單獨(dú)記錄導(dǎo)頭的偏移，獨(dú)立于金剛石測(cè)針的偏移。

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

　　■ 通過(guò)放大和評(píng)估導(dǎo)頭與金剛石測(cè)針之間的差分信號(hào)，可以非常有效地排除振動(dòng)造成的影響。

　　■ 金剛石測(cè)針嵌入導(dǎo)頭桿內(nèi)，得以免受損傷。

　　圖2

　　圖2和圖3：憑借帶滑動(dòng)導(dǎo)頭的表面精度探針的優(yōu)化測(cè)量和追蹤策略，曲面對(duì)于粗糙度測(cè)頭而言是個(gè)理想的平面，圖示為沿漸開(kāi)線(xiàn)齒輪齒形測(cè)量的例子。

　　圖3

　　研發(fā)中的”成敗“點(diǎn)

　　為了能夠深入小齒槽內(nèi)，克林貝格(Klingelnberg)選擇了經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的導(dǎo)頭，在2012年推出的是用于不小于1.6 mm的模數(shù)，整體設(shè)計(jì)纖巧同時(shí)導(dǎo)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(zhì)量的測(cè)量信號(hào)。除了尖點(diǎn)半徑為5 μm金剛石測(cè)針外，測(cè)頭還可以配備尖點(diǎn)半徑為2 μm和60°的金剛石測(cè)針。

　　亮點(diǎn)簡(jiǎn)介

　　全部P系列精密測(cè)量中心均可配備高精度的粗糙度測(cè)量裝置。

　　■ 全自動(dòng)粗糙度測(cè)量，齒輪模數(shù)從0.9 mm起，也可以用于軸和平面的粗糙度測(cè)量。

　　■ 按照DIN EN ISO 4287標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估粗糙度參數(shù)(Ra、Rz、Rt、Rmax)。

　　■ 按照DIN EN ISO 13565-2標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估材料比參數(shù)(Rk、Rpk、Rvk、MR1、MR2)。

　　■ 分辨率高，可達(dá)7 nm。

　　■ 內(nèi)置電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置，用于尖點(diǎn)半徑為2 μm或5 μm的金剛石測(cè)針的自動(dòng)找正。

　　■ 采用與齒輪計(jì)量類(lèi)似的測(cè)量步驟以?xún)?yōu)化跟蹤條件。

　　■ 通過(guò)集成于標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量程序，使得操作簡(jiǎn)化。

　　■ 即便在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境下使用，也可確保高精度測(cè)量。

　　圖4:用于模數(shù)0.9 mm起的全新齒面粗糙度探針

　　                                                                                                                                                                 放大圖

　　表現(xiàn)了導(dǎo)頭和金剛石測(cè)針之間的關(guān)系。盡管整體系統(tǒng)尺寸極小，但針尖半徑和導(dǎo)頭半徑比卻仍可達(dá)到1:1000。該粗糙度測(cè)頭標(biāo)配2 μm / 60°的金剛石測(cè)針。

　　探針的小型化：尖點(diǎn)半徑2 μm

　　滾磨光整齒輪滿(mǎn)足了高要求：這些齒面展現(xiàn)了極高的材料比——即具有寬闊平臺(tái)和狹窄波谷的表面質(zhì)量。這對(duì)于計(jì)量是一種挑戰(zhàn)。

　　在輪廓高度表示中，通常使用相對(duì)于表面的大垂直比例尺，正如本例所示。

　　這使深度僅為0.5 μm到1.5 μm的波谷顯得非常窄，看起來(lái)似乎無(wú)法使用90°的金剛石測(cè)針進(jìn)行測(cè)量。

　　放大圖則顯示了最窄的波谷和金剛石測(cè)針之間實(shí)際的關(guān)系。在這樣的情況下，使用尖點(diǎn)半徑為2 μm 的60°金剛石測(cè)針即可進(jìn)一步改善跟蹤的條件。

　　現(xiàn)在，從0.9mm模數(shù)起

　　在開(kāi)發(fā)新的用于0.9 mm模數(shù)的齒面粗糙度測(cè)頭(見(jiàn)圖4)的過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)數(shù)倍于普通齒面粗糙度測(cè)頭?？肆重惛?Klingelnberg)在2016年4月底斯圖加特Control 2016展會(huì)上首次展示了這項(xiàng)創(chuàng)新。

　　這項(xiàng)特殊研發(fā)的設(shè)計(jì)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(dǎo)頭和金剛石測(cè)針不斷進(jìn)行更小化改進(jìn)。

　　得益于精巧的設(shè)計(jì)，它仍然可以在縱向和橫向的兩個(gè)方向擁有較大的導(dǎo)頭半徑。金剛石測(cè)針和導(dǎo)頭之間的距離非常短，因此小齒輪在很短的評(píng)估長(zhǎng)度上也可覆蓋盡可能大的比例。

　　新的粗糙度測(cè)頭為測(cè)量用于現(xiàn)代化乘用車(chē)變速箱高精度齒輪提供了有利的條件。

　　圖5:測(cè)量結(jié)果以非常清晰的方式輸出，顯示了測(cè)量曲線(xiàn)和圖表格式的所選參數(shù)。

　　布局類(lèi)似于齒輪測(cè)量的報(bào)告。粗糙度參數(shù)(Ra、Rz、Rt、Rmax)按照DIN EN ISO 4287標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估。材料比參數(shù)(Rk、Rpk、Rvk、MR1、MR2)按照DIN EN ISO 13565-2標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估。

　　圖6:對(duì)比測(cè)量

　　由用戶(hù)進(jìn)行的對(duì)比測(cè)量，表現(xiàn)了使用基準(zhǔn)面測(cè)量系統(tǒng)(紅色)和克林貝格(Klingelnberg)測(cè)量(黑色)之間出色的一致性。這不僅限于參數(shù)，而且兩條測(cè)量曲線(xiàn)的特性都很一致。