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第 2 卷
2014 年
12 月刊
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第 2 卷- 2014 年 12 月刊
3D技术进行表面处理应用的3D形貌



轮廓测量,z = f(x)


表面测量,z = f(x, y)


Altimet三维扫描系统概述


共焦光谱成像原理





作为Rz值函数的涂料消耗量


在平面材料曲线中计算作为函数体积参数的涂料消耗量

简介

  除了清洁度和可溶性盐污染水平,表面处理标准还需要考虑基底表面粗糙度。表面处理行业普遍认为在涂料消耗量和涂层的机械与耐腐蚀性能之间的相互作用中,粗糙度参数起主要作用。意识到常见二维方法(使用接触触针式仪器测量粗糙度分布)测量的当前局限性,W Abrasives开发了一种称作WA 3D的新技术。该技术包含在新表面处理包里,它包含许多能带给客户尖端技术和知识的方案(新产品、服务和工具),促进表面处理行业卓越发展。

抛喷清理过程后表面粗糙度的评估方法

  与形成各向异性表面的研磨和抛光相比,抛喷清理过程产生同性表面,同性表面各个测量方向上的形貌相同,然而各向异性表面具有明显的方向性。

  表面粗糙度测量方法包括测量样品表面上单条线的线性粗糙度测量,和测量样品表面部分区域的平面粗糙度测量。线性粗糙度测量现在已经成为普遍的标准,但是,近年来对于能观察样品真实表面的平面粗糙度测量的期望越来越高。能为表面形貌测量提供定性和定量数据的两类主要仪器,即为机械接触表面粗糙度仪和粗糙度轮廓仪。

  机械接触表面粗糙度仪(接触触针式仪器)的原理是配备触针的测量仪以均匀的速度在表面移动,大部分机械接触表面粗糙度仪采用金刚石尖端作为触针。该尖端固定在悬臂上,沿着X轴方向划过样品表面,悬臂的纵轴移动将通过模拟或数字信号记录,表面分布也将记录。机械表面光度仪的标准尖端半径通常为2或10μm,角度为60或90度。获得的z轴上的高度值是x轴上位置的函数:z = f(x),它被称作二维扫描,也被称作二维轮廓测量仪。

  尽管机械接触仪器施加的负载通常在毫克范围内,如果材料太柔软,尖端施加的负载将破坏表面,这是接触系统常见的缺点。此外,机械接触表面光度仪不能用于非破坏性评估,例如螺纹类装置,因为其尖端不能评估螺纹部分。

  光学粗糙度轮廓仪使用非接触方式,与机械接触仪器相比通常更快、分辨率更好,光学轮廓仪采用白色光束作为光学触针,它们的操作原理是使用一定间距覆盖矩形表面以测量平行轮廓,高度测量值z是表面轮廓上x轴和y轴上的点的函数。它被称作三维扫描,也被称作三维形貌。

  Winoa研发中心配备由Altimet Sas生产的光学轮廓仪AltiSurf 520,Altimet Sas是三维表面度量领域最专业的公司之一,Altimet三维扫描系统包括:

• AltiSurf 520装置,由机动化的x、y、z工作台和一个CCS Prima系列的共焦光谱传感器组成,它配备有型号为CL3MG70的模块化光学笔。该光学笔基于高度创新的共焦光谱成像原理。入射白光针孔通过光谱物镜沿着Z轴显示单色像的连续体,因此沿着光轴提供“色码”。 当一个物体置于在该“已上色”区域,就会有一个特定的波长完全集中在它的表面然后反射到光学系统中。为了分析完全集中在部件上的波长,然后准确找到它在测量区域的位置,反射光通过过滤针孔后需进入光谱仪。共焦光谱成像能实现可靠、准确和可重制的尺寸测量并具有极高的分辨率。CL3MG70光学笔的特殊性体现在关键的指示器上,它可以测量非反射材料,例如重现的介质或者太阳能面板。光斑直径大约8μm,横向分辨率为4μm。
• Phenix控制装置是个人电脑和机器硬件之间的界面。
• 外部远程控制:它允许轴移动和测量安装,而不在主屏幕上出现。
• Phenix采集软件是Altisurf 520用户界面。它可以进行参数配置、规划和执行测量。
• Altimap采集软件是Phenix分析测量的默认软件。Altimap软件可以处理各种二维和三维参数。

表面处理应用中包含的粗糙度参数

  ISO 4287或ISO 12085, ISO 13565规定了由轮廓方法确定表面结构(粗糙度、波纹和主要轮廓)所应用的二维参数。最后两个标准专门用于汽车行业,ISO 25178是第一个处理平面结构和三维参数的国际标准,三维参数的名称中,表面由S表示,体积由V表示。这些参数不反映过滤条件,也没有类似二维参数的前置代码,如P(主要)、R(粗糙度)或者W(波纹)。如果需要三维粗糙度或者波纹参数,必须使用数学运算过滤表面。默认情况下,三维参数在评估区域,即整个表面上确定,然而,二维参数是许多取样长度上的平均值,三维参数却不是。

  在二维参数中,通过过滤隔离波纹和粗糙度,该“切割”是确定粗糙度和波纹之间界线的过滤器。该“切割”值决定于取样/评估的长度和轮廓类型。通常,对于抛喷清理表面,它的值为2.5mm。在取样长度上计算表面处理参数,在过滤的粗糙度或波纹轮廓上,样品长度与切割的长度相等,在未处理的轮廓上,取样长度与被称为评估长度的轮廓总长度相等,评估长度可能包含一个或多个取样长度。

  ISO 8503中阐述了腐蚀保护涂层应用前评估基底粗糙度的方法。规定了下列的接触方法:

• 轮廓粗糙度仪(ISO 8503 –1、ISO 8503–2、ISO 8503–3)
• 触针式粗糙度仪器(ISO 8503–4)

  对于为进一步喷涂应用准备的抛喷清理表面,最重要的轮廓/表面参数是:

• 高度参数(例如,Ra–粗糙度轮廓的算术平均偏差,Rz–粗糙度轮廓的最大高度,Rt–粗糙度轮廓的总高度,Rsk–评估轮廓的非对称性和偏度,Rku–评估轮廓的陡度、锐度);
• 峰参数(例如,Rpc–峰密度);
• 功能参数(例如,Vv–孔隙体积)。

  粗糙度仪方法只提供定性结果,等级有“优良”、“中等”和“下等”轮廓。尽管轮廓比较仪主要针对钢质抛喷磨料,但是它只提供与Rz值相关的信息。

钢基粗糙度轮廓参数(ISO 8503–1)


比较样块值

粗糙度值Rz [µm]

钢砂处理

钢丸处理

25 - 60

25 - 40

61 - 100

41 - 70

101 - 150

71 - 100


  通常商业便携式触针式仪器用于显示以下轮廓参数:Ra、Rz、Rt和Rpc。使用该方法,在具有复杂几何形状的表面上很难显示上述的几种参数。

W Abrasives的WA三维技术

  为了能为客户提供抛喷工艺后的各种二维轮廓参数和三维平面结构参数,W Abrasives提出了WA 3D技术。该技术基于抛喷表面复制品的三维扫描。

  为了测量三维形貌,该复制方法在客户现场产生精确的表面三维副本。为了达到这个目标,根据要测量的表面区域,手动操作的喷枪用于涂敷一定量的复制介质,后者包含聚合物和固化剂,在涂敷到到表面的过程中它们能在一次性静态混合的喷嘴中自动混合,短期固化后(25°C时保持大约4分钟),将树脂从表面移除,从而得到复制样品,形状、尺寸或者位置不一的各种抛喷部件都可以进行表面三维扫描。

  使用Altimap软件进行结果处理,定制的二维和三维参数将根据客户需要(例如ISO或ASME标准,切割长度)在技术报告中提供。

  尽管可以广泛使用三维参数,优秀的专业人士还是仅根据二维参数进行表面处理。该趋势的原因如下:它们非常完善并且认可度高;有可用文献和标准来解释这些参数;并且更重要的是,部分历史数据是基于这些参数的。

  在表面处理行业中,其中一个最相关的示例是要估算涂料消耗量需填充研磨抛喷表面的粗糙度,只通过对以下用便携式触针式仪器得出的Rz值运用外推法来填充粗糙度:

作为Rz值函数的涂料消耗量


粗糙度值

Rz [µm]

死体积 [liter/m2]

死体积 [cm3/m2]

30

0.02

20

45

0.03

30

60

0.04

40

75

0.05

50

90

0.06

60

105

0.07

70


  WA三维技术,除了考虑二维相关参数简单延伸的传统参数(如Sa、Sz、Ssk、Sku)外,也考虑了功能体积参数,例如Vv–孔隙体积,功能体积参数专门用于三维测量,它们由平面承载率曲线计算得出。

  该参数的确定要遵守两个承载率临界值一,根据ISO 25178默认设置为10%和80%。确定以下两个材料体积参数和两个孔隙体积参数:Vmp–峰值材料体积、Vmc–核心材料体积、Vvc–核心孔隙体积、Vvv–峰谷孔隙体积。这些参数的表示单位为体积每单位面积(ml/m2或μm3/mm2)。

  抛喷工艺后,为了更准确的控制涂料消耗,建议使用三维参数Vv,两个孔隙体积参数之和,如上所述。

  对于具体的使用抛喷清理进行的喷涂用金属表面处理,应用不同方法导致涂料消耗量估算也完全不同。例如,真实情况下,传统方法的(根据Rz值的外推法)估算量为0.06[liter/m2]的死体积,然而功能孔隙体积参数的估算量仅为0.03[liter/m2],对于相同的抛喷表面,减少了50%。

  由于表面形貌本质上是三维的,只有三维分析可以准确显示表面形貌的本质特征,三维参数比从二维轮廓中获得的参数更实际,三维表面形貌的统计分析更可靠且更有代表性,因为使用三维技术获得大量的的数据提高了数据的独立性。三维图像可以借助于电脑和适当的图像处理技术生成,二维系统通常使用模拟测量,三维系统主要使用数字技术。数字系统在处理和保存数据时更灵活。三维表面测量仪可应用到其他行业,如汽车、航空航天、医疗、运输、能源等。三维分析能提供一些功能参数,例如润滑体积、残片体积和接触区域面积。定性和定量评估有助于确定表面特征的尺寸、形状和体积,如凹坑和槽,以及表面是否有方向。

  W Abrasives一直乐意与客户协作以实现卓越发展,新的WA 3D粗糙度分析方法是实现这一目标的相关方式。此新技术包含在新的W Abrasives表面处理包,它包含广泛的新产品、服务(例如现场导电性测量)和新技术。



Claudiu Ionescu
研究工程师
Winoa
528 Avenue de Savoie
38570 Le Cheylas, France
电话:+33.476.92 92 71
邮箱:claudiu.ionescu@winoagroup.com
www.winoagroup.com
www.abrasives.com

Alexandre Dembicki
销售和业务发展工程师
Altimet Sas
Immeuble le Président
1 bis Avenue des Tilleuls
74200 Thonon Les Bains, France
电话:+33.450.81 88 81
邮箱:alexandre.dembicki@altimet.fr
www.altimet.fr


 
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