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(zhì)量同樣重要。也就在幾年前，標(biāo)準(zhǔn)傳動系統(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的加工工藝，光滑的表面可以實現(xiàn)經(jīng)濟化生產(chǎn)，甚至進行大批量生產(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。

　　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)動工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)有效改善的先決條件。

　　特別是在汽車工業(yè)，尤其是在電驅(qū)動領(lǐng)域，嚙合部件的表面質(zhì)量非常關(guān)鍵：與電驅(qū)動結(jié)合，轉(zhuǎn)速極高，對傳動和齒輪設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。但即便是傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動，更光滑的齒輪對運轉(zhuǎn)表現(xiàn)也能做出重要貢獻。Rz小于0.5 μm的齒面現(xiàn)已應(yīng)用于批量生產(chǎn)，來降低噪音、摩擦及功率損失。

　　作為結(jié)論，齒輪的粗糙度檢測已變得愈發(fā)重要。

　　在這方面，連同傳統(tǒng)的通過采樣長度進行粗糙度測量曲線評估，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估表面質(zhì)量的參數(shù)(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

　　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(shù)。

　　通過材料比參數(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的特征，這三個表面顯著不同。

　　趨勢引領(lǐng)

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

　　粗糙度測頭裝備有集成式旋轉(zhuǎn)裝置，并被小型化到可通過標(biāo)準(zhǔn)的連接盤進行使用，就像克林貝格(Klingelnberg)3D測量系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)控測量實現(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(jié)構(gòu)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(jié)

　　新尺寸下的粗糙度檢測

　　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系列精密測量中心實現(xiàn)了在全自動的測量步驟中對齒輪的幾何形狀和表面質(zhì)量進行系統(tǒng)化檢測，目前克林貝格(Klingelnberg)可測模數(shù)0.9 mm起的齒輪。

　　里程碑

　　將粗糙度測量系統(tǒng)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(chuàng)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(fā)而榮獲專利。

　　“我們將齒輪測量的經(jīng)驗與粗糙度測量的專用技術(shù)相結(jié)合，但很難預(yù)言這將把我們引導(dǎo)到何方，”Jan Haeger，軟件開發(fā)部的項目經(jīng)理在回顧開發(fā)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(fā)的粗糙度測量系統(tǒng)已廣受好評，并且被大量訂購”。

　　區(qū)別于其他眾多的粗糙度測量裝置，克林貝格(Klingelnberg)的系統(tǒng)可以在車間現(xiàn)場的環(huán)境下通過全自動步驟實現(xiàn)系統(tǒng)化測量?？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P系列設(shè)備上。

        為何采取獨立的技術(shù)方案?

　　使用其它已有的技術(shù)對齒輪零件進行粗糙度檢測并非易事。在技術(shù)文獻和粗糙度檢測標(biāo)準(zhǔn)中，經(jīng)常推薦或要求無導(dǎo)頭式表面粗糙度量具(或基準(zhǔn)平面測頭系統(tǒng))。

　　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(tǒng)會產(chǎn)生問題。追蹤條件有時會由于這個曲率而產(chǎn)生顯著的變化，特別是當(dāng)使用擴展行程長度時。

　　總體來說，使用這些系統(tǒng)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(dǎo)致在濾波時產(chǎn)生錯誤，必須進行補償。

　　■ 探針?biāo)l(fā)生的大幅度偏移相應(yīng)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(diào)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(tǒng)化的批量測量。

　　■ 系統(tǒng)對于振動很敏感。

　　“在實驗室的條件下用于基準(zhǔn)測量，這些系統(tǒng)毫無疑問是恰當(dāng)?shù)倪x擇”，應(yīng)用工程師Thomas Serafin這樣評價道，“但是在與齒輪測量相結(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發(fā)一種易用的、可靠的方案，設(shè)計為在車間現(xiàn)場使用而不受到振動的影響”。

　　由克林貝格(Klingelnberg)開發(fā)的導(dǎo)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(shù)控軸的復(fù)雜聯(lián)動。

　　導(dǎo)頭式表面粗糙度測頭的優(yōu)勢

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

　　與采用基準(zhǔn)平面測頭系統(tǒng)的測量相比，導(dǎo)頭式系統(tǒng)有如下優(yōu)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(nèi)都能夠優(yōu)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(dǎo)頭的接觸力大很多，可以確保整個測頭系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)用于小測量范圍。

　　■ 通過放大和評估導(dǎo)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(dǎo)頭桿內(nèi)，得以免受損傷。

　　圖2

　　圖2和圖3：憑借帶滑動導(dǎo)頭的表面精度探針的優(yōu)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。

　　圖3

　　研發(fā)中的”成敗“點

　　為了能夠深入小齒槽內(nèi)，克林貝格(Klingelnberg)選擇了經(jīng)過特殊設(shè)計的導(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)計纖巧同時導(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(shù)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(biāo)準(zhǔn)評估粗糙度參數(shù)(Ra、Rz、Rt、Rmax)。

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

　　■ 分辨率高，可達7 nm。

　　■ 內(nèi)置電動旋轉(zhuǎn)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(yōu)化跟蹤條件。

　　■ 通過集成于標(biāo)準(zhǔn)的測量程序，使得操作簡化。

　　■ 即便在車間現(xiàn)場的環(huán)境下使用，也可確保高精度測量。

　　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)頭半徑比卻仍可達到1:1000。該粗糙度測頭標(biāo)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(xiàn)了極高的材料比——即具有寬闊平臺和狹窄波谷的表面質(zhì)量。這對于計量是一種挑戰(zhàn)。

　　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。

　　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(guān)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(xiàn)在，從0.9mm模數(shù)起

　　在開發(fā)新的用于0.9 mm模數(shù)的齒面粗糙度測頭(見圖4)的過程中面臨的挑戰(zhàn)數(shù)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(chuàng)新。

　　這項特殊研發(fā)的設(shè)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(dǎo)頭和金剛石測針不斷進行更小化改進。

　　得益于精巧的設(shè)計，它仍然可以在縱向和橫向的兩個方向擁有較大的導(dǎo)頭半徑。金剛石測針和導(dǎo)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(xiàn)代化乘用車變速箱高精度齒輪提供了有利的條件。

　　圖5:測量結(jié)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(shù)。

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

　　圖6:對比測量

　　由用戶進行的對比測量，表現(xiàn)了使用基準(zhǔn)面測量系統(tǒng)(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(shù)，而且兩條測量曲線的特性都很一致。