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1、提升粗糙度监控水平的一项有效措施作者：大众动力总成（上海）有限公司 朱正德随着制造业界对粗糙度这一质量指标认识的不断深化，用於表面微观形状误差定量表述的粗糙度评定参数也日趋丰富和多样化，目的是能够更有针对性地描述微观高低起伏的不同形态和程度对产品有关功能的影响。必须指出，在这一点上，各个工业化国家和国际标准化组织（ ISO ）都制定了相应的标准来加以规范，并在很大程度上趋於一致。而那些从事研制和生产粗糙度测量仪的知名专业厂商，也及时纷纷推出适应、具备各种评定参数检测能力的新颖仪器 ，也促使用户对其产品提出了更高要求，或是在对产品实施改进之彳麦能予以有效监控。以上这一连串的过程，真正体现了现代化
2、制造业界的一种技术进步，其间，相应的技术标准则起了推波助澜的积极作用。传统评定参数的局限性1 . 何为传统的粗糙度评定参数？按几何特性，粗糙度评定参数可分为：高度（有时也称为 “振幅 ” ）、间距和形状（有时也称为 “材料比例 ” ）等三类。在国家标准GB/T1031-95 中，规定了 3 个高度、 2 个间距和 1 个形状共 6 项评定参数：轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度10点高度Rz、轮廓最大高度 Ry （高度类）；轮廓微观不平度平均间距Sm、单峰平均间距S （间距类）以及轮廓支承长度率tp （形状类）。该标准还明确说明，三项高度参数是主要的。事实上，多年来最为国内制造业界熟悉、并广泛应
3、用於对工件表面粗糙度进行评定的，也确实是振幅类参数，尤其是其中的 Ra 、 Rz 。若作一番比较， Ry 由於只由取样长度内两点的高度信息所决定，其代表性较差，而相比之 下Ra的代表性显然是最好的。但对於工件的有些功能性来讲，如疲劳强度，Ry和Rz就要比Ra更易於反映，故近年来Rz的出现在增多。2 .传统方式的局限性尽管如此，随着对产品质量要求的不断提高，上述传统的粗糙度评定参数的局限性也越来 越多地暴露了出来。图1中，a、b两个表面有着完全不同的微观结构，但按照评定参数Ra、Rz和Ry （即Rt）所规定的采样和资料处理方式，对表面a和表面b测量彳麦获得的数值都是一样的，从而会得出表面粗糙度的
4、评定结果相同的结论。图1传统评定参数的局限性（1）这显然很不合理，因为图1a的表面微观结构明显容易磨损，故此时若仍用传统的粗糙度评定参数，就难以做出正确的、切合实际的评价。类似地，轮廓算术平均偏差 Ra的采样和资料处理方式虽然代表性最好，也会造成把表面微观形态特征完全不同的被评定表面测得很接近的结果，如图2。 RjJ.4 p tn R：i2+5 i* in Ra2. 4 4 in图2传统评定参数的局限性（2）虽然，在国家标准 GB/T1031中也列入了非主要评定参数的轮廓支承长度率tp”，作为 种形状、也即材料比例参数，能够完善对工件表面微观结构的评定，但产品、零部件的功 能性要求是各式各样的
5、，为了对表面的一些微观特性有更加直观、更有针对性的揭示和反 映，近年来出现了众多的粗糙度评定参数，并由相应的标准加以规范。负荷曲线与缸孔内壁的粗糙度评定1 .负荷曲线的定义标准 DIN EN ISO4287 引入了特性值 轮廓材料比 Rmr (C) ”( Roughness profile materialratio)和负荷曲线、又称 材料比例曲线(Material ratio curve )的概念，见图 3。图3负荷曲畿与轮廓材料比 Rmr (C)在图3b所示的负荷曲线中，其高度相当於最高峰顶线和最低谷底线之间的垂直距离，即Rt,也就是国标中的 Ry,从两者对材料比例的占有来看，正好是 0和
6、100%。而特性值Rmr (C)则为:100 2f核（6 二= ZMK6 呼）M 2-1差异很大的表面微观结构将对应不同的负荷曲线，这从图4中可以看得很清楚。-AAAA- -* Kc AAAAA 二 |.图4负荷曲畿对表面微观结构的识别然而，更为重要的还是由此派生出的那些有针对性的粗糙度评定参数，它们在反映和监控 工件表面加工质量时，发挥了十分重要的作用。一个有代表性的实例就是对缸孔表面的评2 . 负荷曲线应用的典型实例在发动机中，除了承受的负载、运动的方式、零件的材质和润滑剂的性状外，零件表面的微观形状也对产品工作性能有着巨大影响。那麽，怎样才能使经过研磨加工的缸壁成为高耐磨的表面 既能降低
7、油耗，还能通过减少摩擦来延长发动机的寿命，并借助形成的储油槽体系在工作面接近磨损极限状态时起到保护作用呢？德国通过制定标准 DIN 4776 ,率先提出了一组粗糙度评定指标。在之彳麦的若乾年中，这一 指标先彳麦被ISO组织和一些工业化国家所接受，并体现在相关的标准中，如 ISO13565-2 : 1996 和日本的 JISBO671-2 ： 2002 中。图 5 即为缸孔内壁粗糙度的示意图，从图中可见，用於粗糙度评定的指标有5 项（不计那些传统的评定参数），分别为： Rk 、 Rpk 、 Rvk 、 Mr1 和 Mr2 。而整个评定过程建立在前面介绍过的负荷曲线、即材料比例曲线的基础上。图 4
8、 中的 Mr是用百分比表示的轮廓支承长度率，其含义与前面引入的特性值 “轮廓材料比 Rmr （C ） ”是一致的，但从之彳麦的介绍可知，作为粗糙度评定参数，只采用有特定含义的Mh和Mr2。处理方式为：以一段支承长度率为 40% 的直线，沿着负荷曲线的中段移动，直到与曲线的拟合程度最好、且斜率为最小时为止，然彳麦把直线向两端延长，从而获得最重要的一项评定参数 Rk 。客观地讲，缸孔表面经研磨彳麦，其负荷曲线的中段近似於直线（见图 5）,因此上述过程还比较易於实现。从图5可见，由对应於Rk的两截止线一也就是决定Rk高度的两平行线与负荷曲线的交点， 可得到Mh和Mr2。再通过这两点分别 左斜向上”、
9、右斜向下”，形成2个直角三角形，它 们的顶点就决定了参数 Rpk和Rvko以深色阴影表示的2个三角形的面积应与负荷曲线被 截的面积相等。在这些评定参数中，Rk称为中心区峰谷高度，又称有效负荷粗糙度。从其形成机制来看， 相对於给定的一个值，它对应最大的轮廓支承长度率。故 Rk的实质是这部分的中心区深 度将在高负载运行中被磨损掉，但又能最大程度地达到耐磨性。Rpk是超过中心区峰谷高度的轮廓波峰平均高度，又被称为初期磨损高度，而 Rvk是从中 心区下限到有实体材料的轮廓波谷的平均深度，它反映了润滑油的储存深度，体现了摩擦 付在高负载工况下的失灵保护。Mr1和Mr2分别为波峰、波谷轮廓支承长度率，由轮
10、廓中心区上、下截止线决定，其实Mr1表示了表面的初期磨损负荷率，而 Mr2则为长期磨损负荷率。下面是一组有代表性的缸孔内壁粗糙度评定要求，来自某一汽车发动机厂：Rk 1.53.0 ,Rpk 0.3 , Rvk 0.91.6 , Mr1 10% , Mr2 8095% 。3 .负荷曲线系列参数的应用情况在对缸孔内壁进行粗糙度检测中，上述评定参数已得到广泛应用，经过对国内一些主流汽 车发动机厂和柴油机厂的调查，超过三分之二的单位已然采用，包括一些国有企业和民营 企业。至於仍然采用传统的粗糙度评定参数的企业，多数是柴油机厂。调查中只发现一家 内燃机厂是选择 Rz和tp作为评定参数的。当然，Rk、Rp
11、k、Rvk、Mr1和Mr2的适用范围并不只局限於发动机的缸孔，在其他一些 零件（如活塞），以及变速箱中一些零件（如同步器）中也早已应用。近几年，从欧美一 些大企业的轿车发动机曲轴技术要求中发现，曲轴主轴颈、连杆轴颈表面粗糙度的评定项 目中，也已包含了 Rk、Rvk和Rpk等评定参数。轴承表面的粗糙度评定轴承作为重要的、使用最广泛的机械基础件之一，为了确保其性能和额定的工作寿命，就 对承载表面有着这样的要求，即工作面上不能存在任何突兀的波峰。但是，另一方面，为 了获得较大的接触面积，使表面承受的压力分布均匀，在承载面上存在单个（即并非密集 存在）波谷却是完全允许的。评定参数Rp和Rpm的定义鉴於
12、此，标准DIN4762提出了粗糙度评定参数Rp和Rpm ,并通过进一步引入与已有的评定参数Rz的比值，也作为一项指标，从而建立了可靠而又明确的识别、区分被测表面轮 廓形状的模式。从图 6可见，Rp和Rpm的定义有些类似於 Rz： Rp 一评价长度ln由5个相等的单个取样长度le组成，RP/1RP/5分别是各个le范围内 轮廓的最高波峰至中心线的距离，称为单峰高度，而最大峰高Rp即为5个单峰高度中的最大值。 Rpm 上述5个单峰高度的平均值就是Rpm ,即去和I + 户门+ R鼠二十内户n +丧声乃当Rpm值较小时，表面微观轮廓将呈现较宽的波峰和较窄的波谷，此时的峰顶会显示弧形,而谷底则会显示锐
13、利状。但这只是一种定性分析，为了能就被测表面的微观形状建立更有意义的定量识别模式，就要引入与另一项评定参数Rz 的比值这一指标。 当比值 RPM / RZ0.5 时， 表面微观结构将为能满足耐磨要求的弧形、较宽波峰状（称为 “半圆形蜂窝状轮廓”），而当 RPM / RZ 时，轮廓将呈尖锐、较窄的波峰，耐磨性差。如同上文中介绍的 Rk 、 Rpk 等粗糙度评定参数， Rp 、 Rpm 和微观结构识别模式的应用其实还是较广泛的，轴承类产品只是一个重要领域。在其他如导轨结构的运动面，乃至在一些工件或产品表面进行的喷涂、电镀之前，也会对其微观结构提出类似的相关要求。连杆大头孔的粗糙度评定1. 大头孔内
14、摩擦付的结构及演变在发动机的活塞 一连杆一曲轴运动机构中，与彳麦者中的曲轴连杆轴颈组成摩擦付的，并非是连杆大头孔的内壁，而是一对（两半）轴瓦。连杆大头孔不同於之前研究的缸孔，其内壁和轴瓦乃是紧紧地贴合在一起，两者之间不仅没有高频次的相对运动，而且还要求在传递高负荷的扭矩时竭力避免出现滑动，哪怕是很小的错移，以免影响发动机的运行。为此， 在产品结构和工艺上， 采取了分别在两片轴瓦和分体的两半连杆上加工止口的方法，以防止产生滑移现象。近年来，汽车发动机业界出於种种考虑，不断改进产品结构和修改工艺，上述连杆轴瓦止口限位工艺已在一些企业的新产品中被取消，且这种情况逐渐在增多。显然，这种简化了的结构和工
15、艺直接带来了对连杆大头孔内壁与轴瓦之间的配合会提出更高的要求，最基本的一点就是：被紧紧压入孔中的轴瓦与孔壁必须有足够的摩擦力，以确保发动机在高速运转中轴瓦不会有滑移。2. 粗糙度评定 为此，对连杆大头孔内壁的粗糙度提出了如下要求。 Rz A 也 PC min n （尤）第一项评定参数的指标值不同於习惯表示，而是要求Rz 保持在一定范围内，以确保被测表面必须 “粗糙 ”到一定程度。另一项评定参数PC 是从较早就已存在的二项由标准DIN4762 、 ISO4287 确立的参数D 和Sm 衍生出来的， D 称为轮廓峰密度，是在评定长度内，所测得的波峰和波谷的总数，而轮廓微观不平度的平均间距Sm 是波峰之间在中线方向上的平均距离，虽然不作为主要参数，但也是国家标准（ GB ）规定的 6 项评定参数之一。由欧洲标准EURONORM 49-83E 和相近的美国标准ASME B46.1 提出的评定指标PC 被称为 “标准化的轮廓波峰统计” ，有时简称为“波峰计数（ Peak Count ） ”，即在评定长度内，超过了所设定的统计边界上限和下限（ C1 ， C2 ）的波峰和波谷的数目。但必须指出，计数原则为轮廓线都超出边界
