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幾種常見類型的粗糙度評定方法

[2011/8/16]

　　一.負荷曲線與缸孔內壁的粗糙度評定

　　1.負荷曲線的定義

　　標準DIN EN ISO4287引入了特性值“輪廓材料比Rmr(C)”(Roughness profile material ratio)和負荷曲線、又稱“材料比例曲線”(Material ratio curve)的概念。

　　而特性值Rmr(C)則為：

　　差異很大的表面微觀結構將對應不同的負荷曲線。

　　然而，更為重要的還是由此派生出的那些有針對性的粗糙度評定參數(shù)，它們在反映和監(jiān)控工件表面加工質量時，發(fā)揮了十分重要的作用。一個有代表性的實例就是對缸孔表面的評定。

　　2.負荷曲線應用的典型實例

　　在發(fā)動機中，除了承受的負載、運動的方式、零件的材質和潤滑劑的性狀外，零件表面的微觀形狀也對產品工作性能有著巨大影響。

　　那么，怎樣才能使經(jīng)過研磨加工的缸壁成為高耐磨的表面——既能降低油耗，還能通過減少摩擦來延長發(fā)動機的壽命，并借助形成的儲油槽體系在工作面接近磨損極限狀態(tài)時起到保護作用呢?

　　德國通過制定標準DIN 4776，率先提出了一組粗糙度評定指標。在之后的若干年中，這一指標先后被ISO組織和一些工業(yè)化國家所接受，并體現(xiàn)在相關的標準中，如ISO13565-2：1996和日本的JISBO671-2：2002中。

　　整個評定過程建立在前面介紹過的負荷曲線、即材料比例曲線的基礎上。Mr是用百分比表示的輪廓支承長度率，其含義與前面引入的特性值“輪廓材料比Rmr(C)”是一致的，但從之後的介紹可知，作為粗糙度評定參數(shù)，只采用有特定含義的Mr1和Mr2。

　　處理方式為：以一段支承長度率為40%的直線，沿著負荷曲線的中段移動，直到與曲線的擬合程度最好、且斜率為最小時為止，然後把直線向兩端延長，從而獲得最重要的一項評定參數(shù)Rk。

　　客觀地講，缸孔表面經(jīng)研磨後，其負荷曲線的中段近似於直線(見圖5)，因此上述過程還比較易于實現(xiàn)。

　　由對應于Rk的兩截止線—也就是決定Rk高度的兩平行線與負荷曲線的交點，可得到Mr1和Mr2。再通過這兩點分別“左斜向上”、“右斜向下”，形成2個直角三角形，它們的頂點就決定了參數(shù)Rpk和Rvk。以深色陰影表示的2個三角形的面積應與負荷曲線被截的面積相等。

　　在這些評定參數(shù)中，Rk稱為中心區(qū)峰谷高度，又稱有效負荷粗糙度。從其形成機制來看，相對於給定的一個值，它對應最大的輪廓支承長度率。故Rk的實質是這部分的中心區(qū)深度將在高負載運行中被磨損掉，但又能最大程度地達到耐磨性。

　　Rpk是超過中心區(qū)峰谷高度的輪廓波峰平均高度，又被稱為初期磨損高度，而Rvk是從中心區(qū)下限到有實體材料的輪廓波谷的平均深度，它反映了潤滑油的儲存深度，體現(xiàn)了摩擦付在高負載工況下的失靈保護。

　　Mr1和Mr2分別為波峰、波谷輪廓支承長度率，由輪廓中心區(qū)上、下截止線決定，其實Mr1表示了表面的初期磨損負荷率，而Mr2則為長期磨損負荷率。

　　下面是一組有代表性的缸孔內壁粗糙度評定要求，來自某一汽車發(fā)動機廠：Rk 1.5~3.0，Rpk 0.3，Rvk 0.9~1.6，Mr1 10%，Mr2 80~95%。

　　3.負荷曲線系列參數(shù)的應用情況

　　在對缸孔內壁進行粗糙度檢測中，上述評定參數(shù)已得到廣泛應用，經(jīng)過對國內一些主流汽車發(fā)動機廠和柴油機廠的調查，超過三分之二的單位已然采用，包括一些國有企業(yè)和民營企業(yè)。至於仍然采用傳統(tǒng)的粗糙度評定參數(shù)的企業(yè)，多數(shù)是柴油機廠。調查中只發(fā)現(xiàn)一家內燃機廠是選擇Rz和tp作為評定參數(shù)的。

　　當然，Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2的適用范圍并不只局限於發(fā)動機的缸孔，在其他一些零件(如活塞)，以及變速箱中一些零件(如同步器)中也早已應用。近幾年，從歐美一些大企業(yè)的轎車發(fā)動機曲軸技術要求中發(fā)現(xiàn)，曲軸主軸頸、連桿軸頸表面粗糙度的評定項目中，也已包含了Rk、Rvk和Rpk等評定參數(shù)。

　　二.軸承表面的粗糙度評定

　　軸承作為重要的、使用最廣泛的機械基礎件之一，為了確保其性能和額定的工作壽命，就對承載表面有著這樣的要求，即工作面上不能存在任何突兀的波峰。但是，另一方面，為了獲得較大的接觸面積，使表面承受的壓力分布均勻，在承載面上存在單個(即并非密集存在)波谷卻是完全允許的。

　　評定參數(shù)Rp和Rpm的定義

　　鑒于此，標準DIN4762提出了粗糙度評定參數(shù)Rp和Rpm，并通過進一步引入與已有的評定參數(shù)Rz的比值，也作為一項指標，從而建立了可靠而又明確的識別、區(qū)分被測表面輪廓形狀的模式。從圖6可見，Rp和Rpm的定義有些類似于Rz：

　　• Rp—評價長度ln由5個相等的單個取樣長度le組成，RP/1~RP/5分別是各個le范圍內輪廓的最高波峰至中心線的距離，稱為單峰高度，而最大峰高Rp即為5個單峰高度中的最大值。

　　• Rpm—上述5個單峰高度的平均值就是Rpm，即

　　當Rpm值較小時，表面微觀輪廓將呈現(xiàn)較寬的波峰和較窄的波谷，此時的峰頂會顯示弧形，而谷底則會顯示銳利狀。

　　但這只是一種定性分析，為了能就被測表面的微觀形狀建立更有意義的定量識別模式，就要引入與另一項評定參數(shù)Rz的比值這一指標。當比值RPM / RZ<0.5時，表面微觀結構將為能滿足耐磨要求的弧形、較寬波峰狀(稱為“半圓形蜂窩狀輪廓”)，而當RPM / RZ時，輪廓將呈尖銳、較窄的波峰，耐磨性差。

　　如同上文中介紹的Rk、Rpk等粗糙度評定參數(shù)，Rp、Rpm和微觀結構識別模式的應用其實還是較廣泛的，軸承類產品只是一個重要領域。在其他如導軌結構的運動面，乃至在一些工件或產品表面進行的噴涂、電鍍之前，也會對其微觀結構提出類似的相關要求。

　　三.連桿大頭孔的粗糙度評定

　　1.大頭孔內摩擦付的結構及演變

　　在發(fā)動機的活塞—連桿—曲軸運動機構中，與後者中的曲軸連桿軸頸組成摩擦付的，并非是連桿大頭孔的內壁，而是一對(兩半)軸瓦。

　　連桿大頭孔不同於之前研究的缸孔，其內壁和軸瓦乃是緊緊地貼合在一起，兩者之間不僅沒有高頻次的相對運動，而且還要求在傳遞高負荷的扭矩時竭力避免出現(xiàn)滑動，哪怕是很小的錯移，以免影響發(fā)動機的運行。

　　為此，在產品結構和工藝上，采取了分別在兩片軸瓦和分體的兩半連桿上加工止口的方法，以防止產生滑移現(xiàn)象。

　　近年來，汽車發(fā)動機業(yè)界出於種種考慮，不斷改進產品結構和修改工藝，上述連桿軸瓦止口限位工藝已在一些企業(yè)的新產品中被取消，且這種情況逐漸在增多。

　　顯然，這種簡化了的結構和工藝直接帶來了對連桿大頭孔內壁與軸瓦之間的配合會提出更高的要求，最基本的一點就是：被緊緊壓入孔中的軸瓦與孔壁必須有足夠的摩擦力，以確保發(fā)動機在高速運轉中軸瓦不會有滑移。

　　2.粗糙度評定

　　為此，對連桿大頭孔內壁的粗糙度提出了如下要求。

　　• Rz A±a

　　• PC min n (±C)

　　第一項評定參數(shù)的指標值不同於習慣表示，而是要求Rz保持在一定范圍內，以確保被測表面必須“粗糙”到一定程度。

　　另一項評定參數(shù)PC是從較早就已存在的二項由標準DIN4762、ISO4287確立的參數(shù)D和Sm衍生出來的，D稱為輪廓峰密度，是在評定長度內，所測得的波峰和波谷的總數(shù)，而輪廓微觀不平度的平均間距Sm是波峰之間在中線方向上的平均距離，雖然不作為主要參數(shù)，但也是國家標準(GB)規(guī)定的6項評定參數(shù)之一。

　　由歐洲標準EURONORM 49-83E和相近的美國標準ASME B46.1提出的評定指標PC被稱為“標準化的輪廓波峰統(tǒng)計”，有時簡稱為“波峰計數(shù)(Peak Count)”，即在評定長度內，超過了所設定的統(tǒng)計邊界上限和下限(C1，C2)的波峰和波谷的數(shù)目。

　　但必須指出，計數(shù)原則為輪廓線都超出邊界的上下限，而且需要將評定長度內的PC轉換成長度為10mm的標準距離。

　　一般情況下，統(tǒng)計邊界位於中線的兩側，呈對稱狀，也就是C1=C2，當然，用戶也可以根據(jù)自身的實際情況任意設定統(tǒng)計邊界。

　　據(jù)此，我們就可以解讀評定指標PC min n(±C)了，其含義是當統(tǒng)計邊界為±C時，被測表面上10mm標準距離內的波峰計數(shù)值PC必須大於n。舉一個實例予以說明：

　　• Rz=(8±3)μm 取樣長度0.8mm，評定長度4mm

　　• PC min =170/cm統(tǒng)計邊界 ±0.3μm

　　實際進行粗糙度測量時，儀器只經(jīng)過4mm的評定長度，但在評定時，需轉換到10mm的標準距離，并要求PC≧170，而統(tǒng)計邊界為±0.3μm。

　　之所以要在連桿大頭孔的加工工藝中設置這樣的技術條件，目的就是確保當軸瓦壓入後有足夠的摩擦力，確切地說是粘合力，以抵御當發(fā)動機運轉、連桿通過曲軸的連桿軸頸傳遞高載荷扭矩時不會發(fā)生滑移現(xiàn)象。

　　但類似前面介紹的一些評定參數(shù)，其實“波峰計數(shù)PC”在其他場合也有成功的應用，尤其對於冶金行業(yè)一些特殊需要的鋼材，為滿足涂飾性技術要求，也已將它列為必檢的粗糙度評定指標。