评估汽车部件的清洁度

1. 背景

一辆汽车的整体质量等同于其各个部件质量的总合，确保每个部件达到严苛标准的优质水平，是每个汽车制造商义不容辞的责任。汽车制造商还必须考虑减排、燃油效率、长期耐用性和监管标准等方面的要求。随着汽车零部件变得日益复杂，汽车制造商也更加着力强调零部件的材料特性、装配公差和技术清洁度一定要符合严格的要求，而使零部件达到规定的标准，在最终产品的长期耐用性、可靠性及预期寿命方面都发挥着举足轻重的作用。

颗粒污染物会直接影响部件的可靠性，特别是在部件是由多个供应商的组件装配而成的情况下。随着系统和组件越变越小，甚至极其微小的颗粒也会引起灾难性的故障，因此对部件和液体进行技术清洁度和完整性的评估成为质量控制过程的一个必不可少的环节。

2. 应用

在生产过程中，需要以切割、打磨和去毛刺等方式对所制造的金属部件进行加工处理。如果在切割、打磨和去毛刺的过程中没有将所产生的金属屑和其他异物从关键性的部件中适当地清理和清除，就可能产生涉及到整个系统的严重问题。这些部件如：曲轴轴承夹具、阀门堵塞装置、喷嘴、喷油器、过滤器或电子部件。如果燃油系统、制动系统、液压回路或电子设备的任何部件不符合清洁度的要求，则整个系统都可能会发生故障。

为了确保部件和系统符合清洁度的要求，首先要使用无尘室中的提取箱将污染颗粒从部件上分离出来。通过液体淋浴或超声波清洗的方式将部件上的污染物质去除。然后将含有污染物的清洗液体通过滤膜，以提取颗粒。滤膜被夹放在托架中晾干，以备进一步分析之用。滤膜晾干后，被放置在显微镜的载物台上，以进行图像采集和检测之用。

由于专用放大倍率可能会限制摄像头的视场，因此较大的颗粒可能会被分割成两个或多个图像。为了确保这些颗粒只被探测到一次，每个颗粒可使用不同的参数表述。其中最重要的参数是最大费雷特直径和等效圆直径，这两个参数都用于测量颗粒的长度。其他颗粒参数可用于测量颗粒的面积、形状和反射率。这些特性用于识别特殊的颗粒种类，如：纤维颗粒和反光颗粒。对金属颗粒和非金属颗粒的区分基于它们反射光的不同表现。

颗粒探测过程完成后，会生成一页结果信息，其中重点标出了每个颗粒的大小（一般是最大费雷特直径）。颗粒根据不同的大小被分成不同的组，以简化报告的制作，并使用户更方便地比较测量结果。必须根据一个参考值归一化颗粒的绝对计数或外推计数。根据所使用的标准和被测滤膜，颗粒数量被归一为一个比较值。这样用户就可以比较多个测量值，即使在样品大小各有不同的情况下。各种国际标准都对分类参数和级别划分进行了定义说明。汽车行业颗粒大小的分类由最小和最大晶粒度定义。每个颗粒都只能被划分到一个类别中。VDA 19.1是一个对颗粒大小进行分类的典型标准：

• D类：最大费雷特直径大于25 µm，但小于50 µm的所有颗粒。
• E类：最大费雷特直径大于50 µm，但小于100 µm的所有颗粒。
• F类：最大费雷特直径大于100 µm，但小于150 µm的所有颗粒。

根据这个标准，直径为75 μm的颗粒将被归为E类。最后，系统会生成一个包含所有测量结果和有关滤膜数据的报告。

图1. 提取用于检测的污染物颗粒

3. 奥林巴斯的金属和非金属解决方案

为了满足现代工业以及各种国内和国际标准（如：VDA 19.1和ISO 16232）对清洁度的要求，奥林巴斯设计研发了一种交钥匙系统：OLYMPUS CIX100，用于对低至2.5μm的微米级尺寸的污染物和异物进行计算、分析和分类。由于这个系统的多合一扫描解决方案可以同时探测到金属和非金属颗粒，因此其扫描速度比奥林巴斯的其它检测系统快一倍。所有已被计数和分类的颗粒都会实时显示在屏幕上，而用户使用一些功能强大的工具可以非常容易地对检测数据进行修改。系统的软件操作起来简便直观，其所提供的向导可以指导用户逐步完成检测过程，即使是初涉行业的操作人员也能快速、轻松地获得清洁度数据。金属颗粒的探测历来都要求用户通过将检偏镜旋转90°的方法捕获两幅单独的图像（相当耗时的过程），而我们的OLYMPUS CIX系统通过一次扫描就可以识别反光颗粒和非反光颗粒。

图2：滤膜和非金属颗粒上的入射光呈扩散形式散射。无论入射光如何，“反射”光都不会出现偏光现象。即使入射光出现了偏光现象，也不会影响对偏光的分析。滤膜总是比滤膜上的颗粒显得更明亮。

图3：当入射光接触到金属颗粒时，会发生真实的反射。从金属颗粒表面反射的光不会改变偏光情况。“经典的”清洁度检测方式正是利用了上述差异对金属和非金属颗粒进行区分。反射光的偏光情况可以通过摄像头和软件进行分析。在将起偏镜和检偏镜平行放置时，金属颗粒会显得非常明亮。

OLYMPUS CIX系统可以不同方式工作（图4）。入射光束也可以出现偏光情况。可以使用一个延迟板改变光谱中一个波段的偏光情况。因此，入射光的偏光情况对于不同的颜色各有不同（图5）。

图4a：非金属颗粒或滤膜的漫反射与经典的设置相同。反射光在所有颜色范围内都不会产生偏光，因此不需要进行分析。滤膜总是比滤膜上的颗粒显得更明亮。

图4b：金属颗粒的反射也同样遵循经典的原理，而且保留了偏光属性。但是由于每种颜色的偏光情况为已知信息，因此可以直接在彩色图像中探测到金属颗粒。金属颗粒只有在某种特殊的颜色中才会变亮。

图5：只需使用一幅彩色图像就可以区分反光（金属）颗粒和非反光（非金属）颗粒。无需进行第二次扫描，因此节省了时间。此外，无需旋转机械部件，从而减少了对检测仪器的磨损。

在检测过程中，所有相关的数据，包含正在采集的图像和概览图像，都会实时显示在单一的屏幕上，这样可使操作人员在发现滤膜上有过多的污染物时停止或中断检测（图6）。系统会对反光颗粒和非反光颗粒进行计数，并根据检测配置和所选标准中定义的大小限度将探测到的颗粒归类。OLYMPUS CIX100系统支持汽车行业中使用的主要国际标准，其中包括以下标准：

• ISO 16232-10 (A) (N) (V)
• VDA 19.1 (A) (N) (V)
• ISO 4406
• ISO 4407
• ISO 12345
• NAS 1638
• NF E48-651
• NF E48-655
• SAE AS4059

系统提供一个统计控制图表功能，可以图表方式直观地表明颗粒类别的合规水平，以提高检测结果的可靠性。系统探测到的每个污染物的缩微图都与相关的维度测量值一起显示在屏幕上，因此检测人员可以方便地查看数据。操作人员可以轻松地检索某个特定污染物的信息。

在整个检测过程中，OLYMPUS CIX100系统有助于提高检测性能和检测效率。直观的工作流程和分步用户指导有助于减少周期时间、每次检测的成本，以及在处理过程中产生的错误。智能报告工具使用符合行业标准的预定义模板。检测结果可以在Microsoft Word 2016中创建，并以PDF格式导出（图7）。经验不足的用户使用模板可以避免产生人为的错误，还可以方便地修改模板，以满足各种水平操作人员的需求。扫描过的滤膜会被自动保存，以备重新处理或重新计算之用。