幾種常見(jiàn)類(lèi)型的粗糙度評定方法

　　一.負荷曲線(xiàn)與缸孔內壁的粗糙度評定

　　1.負荷曲線(xiàn)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(xiàn)、又稱(chēng)“材料比例曲線(xiàn)”(Material ratio curve)的概念。

　　而特性值Rmr(C)則為：

　　差異很大的表面微觀(guān)結構將對應不同的負荷曲線(xiàn)。

　　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，它們在反映和監控工件表面加工質(zhì)量時(shí)，發(fā)揮了十分重要的作用。一個(gè)有代表性的實(shí)例就是對缸孔表面的評定。

　　2.負荷曲線(xiàn)應用的典型實(shí)例

　　在發(fā)動(dòng)機中，除了承受的負載、運動(dòng)的方式、零件的材質(zhì)和潤滑劑的性狀外，零件表面的微觀(guān)形狀也對產(chǎn)品工作性能有著(zhù)巨大影響。

　　那么，怎樣才能使經(jīng)過(guò)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(guò)減少摩擦來(lái)延長(cháng)發(fā)動(dòng)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(shí)起到保護作用呢?

　　德國通過(guò)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，并體現在相關(guān)的標準中，如ISO13565-2：1996和日本的JISBO671-2：2002中。

　　整個(gè)評定過(guò)程建立在前面介紹過(guò)的負荷曲線(xiàn)、即材料比例曲線(xiàn)的基礎上。Mr是用百分比表示的輪廓支承長(cháng)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，只采用有特定含義的Mr1和Mr2。

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

　　客觀(guān)地講，缸孔表面經(jīng)研磨後，其負荷曲線(xiàn)的中段近似於直線(xiàn)(見(jiàn)圖5)，因此上述過(guò)程還比較易于實(shí)現。

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

　　在這些評定參數中，Rk稱(chēng)為中心區峰谷高度，又稱(chēng)有效負荷粗糙度。從其形成機制來(lái)看，相對於給定的一個(gè)值，它對應最大的輪廓支承長(cháng)度率。故Rk的實(shí)質(zhì)是這部分的中心區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(guò)中心區峰谷高度的輪廓波峰平均高度，又被稱(chēng)為初期磨損高度，而Rvk是從中心區下限到有實(shí)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(cháng)度率，由輪廓中心區上、下截止線(xiàn)決定，其實(shí)Mr1表示了表面的初期磨損負荷率，而Mr2則為長(cháng)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(lái)自某一汽車(chē)發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)：Rk 1.5~3.0，Rpk 0.3，Rvk 0.9~1.6，Mr1 10%，Mr2 80~95%。

　　3.負荷曲線(xiàn)系列參數的應用情況

　　在對缸孔內壁進(jìn)行粗糙度檢測中，上述評定參數已得到廣泛應用，經(jīng)過(guò)對國內一些主流汽車(chē)發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)和柴油機廠(chǎng)的調查，超過(guò)三分之二的單位已然采用，包括一些國有企業(yè)和民營(yíng)企業(yè)。至於仍然采用傳統的粗糙度評定參數的企業(yè)，多數是柴油機廠(chǎng)。調查中只發(fā)現一家內燃機廠(chǎng)是選擇Rz和tp作為評定參數的。

　　當然，Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2的適用范圍并不只局限於發(fā)動(dòng)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(chē)發(fā)動(dòng)機曲軸技術(shù)要求中發(fā)現，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。

　　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(zhù)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(gè)(即并非密集存在)波谷卻是完全允許的。

　　評定參數Rp和Rpm的定義

　　鑒于此，標準DIN4762提出了粗糙度評定參數Rp和Rpm，并通過(guò)進(jìn)一步引入與已有的評定參數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、區分被測表面輪廓形狀的模式。從圖6可見(jiàn)，Rp和Rpm的定義有些類(lèi)似于Rz：

　　• Rp—評價(jià)長(cháng)度ln由5個(gè)相等的單個(gè)取樣長(cháng)度le組成，RP/1~RP/5分別是各個(gè)le范圍內輪廓的最高波峰至中心線(xiàn)的距離，稱(chēng)為單峰高度，而最大峰高Rp即為5個(gè)單峰高度中的最大值。

　　• Rpm—上述5個(gè)單峰高度的平均值就是Rpm，即

　　當Rpm值較小時(shí)，表面微觀(guān)輪廓將呈現較寬的波峰和較窄的波谷，此時(shí)的峰頂會(huì )顯示弧形，而谷底則會(huì )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(guān)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Rz的比值這一指標。當比值RPM / RZ<0.5時(shí)，表面微觀(guān)結構將為能滿(mǎn)足耐磨要求的弧形、較寬波峰狀(稱(chēng)為“半圓形蜂窩狀輪廓”)，而當RPM / RZ時(shí)，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，Rp、Rpm和微觀(guān)結構識別模式的應用其實(shí)還是較廣泛的，軸承類(lèi)產(chǎn)品只是一個(gè)重要領(lǐng)域。在其他如導軌結構的運動(dòng)面，乃至在一些工件或產(chǎn)品表面進(jìn)行的噴涂、電鍍之前，也會(huì )對其微觀(guān)結構提出類(lèi)似的相關(guān)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(dòng)機的活塞—連桿—曲軸運動(dòng)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(méi)有高頻次的相對運動(dòng)，而且還要求在傳遞高負荷的扭矩時(shí)竭力避免出現滑動(dòng)，哪怕是很小的錯移，以免影響發(fā)動(dòng)機的運行。

　　為此，在產(chǎn)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(chǎn)生滑移現象。

　　近年來(lái)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機業(yè)界出於種種考慮，不斷改進(jìn)產(chǎn)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(chǎn)品中被取消，且這種情況逐漸在增多。

　　顯然，這種簡(jiǎn)化了的結構和工藝直接帶來(lái)了對連桿大頭孔內壁與軸瓦之間的配合會(huì )提出更高的要求，最基本的一點(diǎn)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(dòng)機在高速運轉中軸瓦不會(huì )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PC是從較早就已存在的二項由標準DIN4762、ISO4287確立的參數D和Sm衍生出來(lái)的，D稱(chēng)為輪廓峰密度，是在評定長(cháng)度內，所測得的波峰和波谷的總數，而輪廓微觀(guān)不平度的平均間距Sm是波峰之間在中線(xiàn)方向上的平均距離，雖然不作為主要參數，但也是國家標準(GB)規定的6項評定參數之一。

　　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(chēng)為“標準化的輪廓波峰統計”，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為“波峰計數(Peak Count)”，即在評定長(cháng)度內，超過(guò)了所設定的統計邊界上限和下限(C1，C2)的波峰和波谷的數目。

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

　　一般情況下，統計邊界位於中線(xiàn)的兩側，呈對稱(chēng)狀，也就是C1=C2，當然，用戶(hù)也可以根據自身的實(shí)際情況任意設定統計邊界。

　　據此，我們就可以解讀評定指標PC min n(±C)了，其含義是當統計邊界為±C時(shí)，被測表面上10mm標準距離內的波峰計數值PC必須大於n。舉一個(gè)實(shí)例予以說(shuō)明：

　　• Rz=(8±3)μm 取樣長(cháng)度0.8mm，評定長(cháng)度4mm

　　• PC min =170/cm統計邊界 ±0.3μm

　　實(shí)際進(jìn)行粗糙度測量時(shí)，儀器只經(jīng)過(guò)4mm的評定長(cháng)度，但在評定時(shí)，需轉換到10mm的標準距離，并要求PC≧170，而統計邊界為±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(shù)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(shuō)是粘合力，以抵御當發(fā)動(dòng)機運轉、連桿通過(guò)曲軸的連桿軸頸傳遞高載荷扭矩時(shí)不會(huì )發(fā)生滑移現象。

　　但類(lèi)似前面介紹的一些評定參數，其實(shí)“波峰計數PC”在其他場(chǎng)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(mǎn)足涂飾性技術(shù)要求，也已將它列為必檢的粗糙度評定指標。