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  汽車鋼板表面輪廓形貌的指標(biāo)有宏觀方面的形狀誤差，也有微觀方面的幾何形狀誤差，即粗糙度，以及介于宏觀形狀誤差及粗糙度之間的形狀誤差，即波紋度。大量的試驗(yàn)及研究表明，汽車鋼板經(jīng)涂裝工藝后，粗糙度輪廓能夠被漆層所覆蓋，而波紋度輪廓被保留下來，容易造成鮮映性降低等問題。

 

     隨著國(guó)家對(duì)企業(yè)環(huán)保要求的不斷提高，各大車企的涂裝都采用了新工藝。新工藝降低了涂料的用量，減少了揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)及二氧化碳的排放量，但對(duì)鋼廠原材料鋼板的表面質(zhì)量要求越來越高。

 

      目前，波紋度指標(biāo)的檢測(cè)方法主要包括接觸式及非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量通過探針在鋼板上接觸，記錄鋼板的表面信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到波紋度；非接觸式測(cè)量通過光的干涉原理獲得鋼板表面信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到波紋度。非接觸式測(cè)量法不僅可以得到波紋度，而且可以得到具體的三維輪廓圖像，同時(shí)可以輸出表面輪廓偏斜度及表面輪廓峭度等數(shù)據(jù)。

 

1白光的干涉原理及檢測(cè)方法

 

1.1 白光的干涉原理

 

      采用白光為光源進(jìn)行干涉，白光光源包含多個(gè)可見光譜區(qū)域的光譜成分，發(fā)生干涉時(shí)，各波長(zhǎng)光譜將產(chǎn)生各自的一組干涉條紋。在光程完全相等、光程差為零，即零級(jí)條紋處，不同成分的光譜完全重合，此處光強(qiáng)最大。隨著光程差及干涉級(jí)數(shù)的增加，各波長(zhǎng)的干涉條紋彼此錯(cuò)開，條紋對(duì)比度逐漸下降，最終干涉條紋消失。白光干涉光強(qiáng)度隨光程差變化曲線如圖1所示。

 

 

圖1 白光干涉光強(qiáng)度隨光程差的變化曲線

 

1.2 檢測(cè)方法

 

     通過識(shí)別光強(qiáng)最大處的零級(jí)條紋，可得到零光程差位置。將白光光源通過鏡頭內(nèi)部的分光鏡分成兩個(gè)光束，一束投射到試樣表面，另一束投射到參考面。設(shè)置參考鏡位置，使得從試樣表面反射回的光線同參考鏡反射光線到CCD攝像頭的光程差為零，即使得聚焦距離同參考鏡反射光線到CCD攝像頭的距離相等，三維輪廓儀工作原理如圖2所示。將鏡頭上下移動(dòng)可改變?cè)嚇酉鄬?duì)于鏡頭的位置，從而達(dá)到掃描的目的，將不同高度視野下的試樣信息進(jìn)行疊加，得到試樣表面的三維輪廓信息。

 

 

圖2 三維輪廓儀工作原理示意

 

2相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

 

     波紋度指標(biāo)可以理解為：在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)，實(shí)際表面信號(hào)經(jīng)濾波處理后得到的波紋度曲線W(x)偏離最小二乘中心線的平均距離。目前，與測(cè)量表面波紋度相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)較多，其中應(yīng)用較普遍、具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)主要有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12085—1996 Geometrical Product Specifications (GPS) -Surface Texture:Profile Method - Motif Parameters、日標(biāo)JIS B0610— 2001 Profile Method-Definitions and Designation of Rolling Circle Waviness、 國(guó)標(biāo)GB/T 2523—2008 《冷軋金屬薄板(帶)表面精糙度和峰值數(shù)測(cè)量方法》、德國(guó)鋼鐵行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1941—2012 Mesurement of the Waviness Characteristic Value Wsa (1-5) on Cold Rol-led Metalic Flat Products 等。影響波紋度檢測(cè)結(jié)果的因素主要有濾波器類型、截止波長(zhǎng)、檢測(cè)長(zhǎng)度等。不同標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

 

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)設(shè)置

 

 

3分析過程

 

     以某鋼鐵廠生產(chǎn)的鍍鋅板為例，采用Wsa1-5指標(biāo)的檢測(cè)步驟，介紹非接觸式白光干涉法的分析過程曲線(見圖3)。三維光學(xué)輪廓儀設(shè)備型號(hào)為Bruker GT-K，該設(shè)備具備自動(dòng)聚焦功能。使用拼接測(cè)試及自動(dòng)聚焦功能，可得到所要求的30mm檢測(cè)長(zhǎng)度內(nèi)的原始輪廓信息。

 

 

圖3 鍍鋅板表面波紋度Wsa1-5分析過程曲線

 

     (1) 經(jīng)過一次多項(xiàng)式處理，消除水平方向不確定度，即排除試樣水平方向傾斜對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來的干擾?？梢钥吹捷喞蚊睬€整體保持水平，但在宏觀形貌上存在波動(dòng)，呈現(xiàn)出中間高兩邊低的情況。

 

    (2) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 16610-21 Geometrical Product Specifications (GPS)-Filtration Part 21:Linear Profile Filters: Gaussian Filters，利用高斯濾波器進(jìn)行低通濾波，截止波長(zhǎng)λf為5mm，去除試樣在宏觀上的幾何形狀誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，其輪廓如圖3b)所示，可以看到輪廓曲線的輕微弧度消失，去除了宏觀上的幾何形狀誤差。

 

     (3) 去除λf入口和出口各2.5mm 長(zhǎng)度內(nèi)的數(shù)據(jù)。

 

     (4) 利用高斯濾波器進(jìn)行高通濾波，截止波長(zhǎng)λc為1mm, 去除1mm 以下短波部分細(xì)微輪廓。經(jīng)過兩次濾波后得到波紋度輪廓，如圖3c)所示，二維輪廓如圖3d)所示。

 

     (5) 波紋度Wsa1-5如式(1)所示。

 

 

式中：lt為取樣長(zhǎng)度；λf為截止波長(zhǎng)(高通)；lm為評(píng)定長(zhǎng)度；Zm為表面輪廓曲線中線的縱坐標(biāo)；Zw(x)為x方向輪廓曲線的縱坐標(biāo)。

 

      計(jì)算出波紋度為0.149μm。為驗(yàn)證白光干涉法測(cè)量波紋度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用接觸式波紋度儀及非接觸式三維輪廓儀對(duì)沖壓變形后的試樣進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，接觸式波紋度儀型號(hào)為HOMMEL T8000。為盡量減小試樣的表面波動(dòng)，鎖定中心部位的一個(gè)小區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，共取5組試樣，每個(gè)試樣取3點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，具體檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

 

表2 波紋度儀和三維輪廓儀對(duì)多個(gè)試樣的波紋度檢測(cè)結(jié)果

 

 

     對(duì)兩組檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，兩種方法的檢測(cè)結(jié)果無明顯差異，一致性較好。采用非接觸式白光干涉法檢測(cè)波紋度具有有效性。

 

4結(jié)語

 

      (1) 采用白光干涉法檢測(cè)波紋度指標(biāo)時(shí)，只要識(shí)別零級(jí)條紋就可得到零光程差位置。

 

     (2) 鏡頭的移動(dòng)可帶動(dòng)零級(jí)條紋的上下移動(dòng)，從而對(duì)試樣表面進(jìn)行掃描，將掃描結(jié)果進(jìn)行疊加可獲得試樣的表面輪廓信息。

 

     (3) 一次多項(xiàng)式處理可消除水平方向的不確定度。利用高斯濾波器進(jìn)行低通濾波，可去除樣品在宏觀上的幾何形狀誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成的影響；利用高斯濾波器進(jìn)行高通濾波，可去除1mm以下短波部分的細(xì)微輪廓，得到波紋度輪廓。

 

     (4) 采用t檢驗(yàn)分析白光干涉測(cè)量法及接觸式測(cè)量法的檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示白光干涉法測(cè)量波紋度具有有效性。