表面微觀結(jié)構(gòu)二維測量和三維測量的應(yīng)用分析
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工件的表面形貌包括了粗糙度、波度和形狀誤差，而表面微觀結(jié)構(gòu)則主要指前二項，它們均為零件重要的質(zhì)量監(jiān)控指標(biāo)。關(guān)於工件表面微觀結(jié)構(gòu)的三維測量，國外早在上世紀(jì)八、九十年代已經(jīng)做了不少前期工作。以檢測方式而言，就有藉助傳統(tǒng)的觸針/電感式粗糙度測量儀，通過增加一個精密工作臺產(chǎn)生橫向微量位移，以組成三維測量；此外還研究了數(shù)種不同原理的光學(xué)測量方法，如光切法、光學(xué)探針和乾涉顯微鏡等。盡管在此基礎(chǔ)上開發(fā)的某些儀器也獲得了一些應(yīng)用，但主要還是在電子（材料）、軍工等工業(yè)部門，且偏重於表面缺陷探測范疇。其實(shí)，迄止本世紀(jì)初，即使在工業(yè)化國家，表面微觀結(jié)構(gòu)的三維測量也還沒有在那些主流制造業(yè)，如汽車行業(yè)中獲得真正的應(yīng)用，原因何在呢？
眾所周知，檢測技術(shù)本質(zhì)上講是服務(wù)於制造工藝的，是為了驗(yàn)證工藝方法的執(zhí)行效果。而觸針/電感型二維測量及其應(yīng)用的評定參數(shù)至今仍然在國內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用，正是因?yàn)樗心苓m應(yīng)、滿足對批量生產(chǎn)條件下零件制造工藝執(zhí)行效果的驗(yàn)證。
二維測量用於工件表面微觀結(jié)構(gòu)評定的技術(shù)分析
1.表面微觀結(jié)構(gòu)與工件配合面的工藝性能
為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，在零部件制造過程中，企業(yè)必須嚴(yán)格遵循技術(shù)要求，并在事後進(jìn)行驗(yàn)證。以汽車發(fā)動機(jī)為例，幾乎所有存在配合關(guān)系的工件，對其相關(guān)表面都有一定的要求，尤其是那些關(guān)鍵部位，其配合面的狀態(tài)決定了所應(yīng)具備的工藝性能，將直接影響發(fā)動機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。下面通過發(fā)動機(jī)中的汽缸體缸孔和連桿大頭孔兩個案例進(jìn)行探討。
作為發(fā)動機(jī)中那些重要的摩擦付，配合面的狀態(tài)是否符合要求至關(guān)重要，在諸多影響因素中，除了表面硬度、宏觀幾何精度外，配合面的微觀結(jié)構(gòu)更是往往會決定相關(guān)的工藝性能。例如，對於缸孔來說，通常情況下，經(jīng)過珩磨加工後的工件表面應(yīng)同時具備這樣兩項功能，一方面需要具有很光順的表面和盡可能多的承載面積，從而確保相互運(yùn)動時的滑動性和耐磨性。另一方面，又需要一個開放性的表面微觀結(jié)構(gòu)，以保障表面的儲油能力，即這個表面仍然是“粗糙”的。為了同時能體現(xiàn)出這兩項功能，就需要使經(jīng)珩磨加工的工件表面在相對粗糙的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出平臺結(jié)構(gòu)的精細(xì)的表面形態(tài)（見圖1b）。
圖1 缸壁摩擦付表面的平臺結(jié)構(gòu)
2.加工工藝方法與工件的表面紋理
無論是缸孔還是連桿大頭孔，業(yè)內(nèi)現(xiàn)今采用的最終精加工工藝仍是珩磨，通過精鏜工序之後的粗珩和精珩兩次珩磨（有時還會有半精珩），在工件表面進(jìn)行宏觀和微觀幾何加工。珩磨是利用油石、即砂條（一般稱“珩磨條”）對工件進(jìn)行加工的一種工藝過程，在表面形成的微觀結(jié)構(gòu)雖然會有所差別，見前一節(jié)圖1a、b，但就其本質(zhì)來講，都屬於連續(xù)性的紋理狀，而這種形態(tài)又是一般傳統(tǒng)的切削型工藝方法所共有的。事實(shí)上，無論是精鏜、磨削，還是車、銑、刨，在工件表面形成的都無一不是連續(xù)性的紋理結(jié)構(gòu)。圖2是采用觸針/電感方式對這類表面進(jìn)行粗糙度測量的一張放大圖，再結(jié)合圖1的二幀示圖，可以得到這樣的結(jié)論：對應(yīng)於利用傳統(tǒng)工藝方法加工的工件表面，由於普遍呈現(xiàn)連續(xù)性的紋理結(jié)構(gòu)，因此，在取向相同的情況下，采取二維測量時在不同截面所獲得的測值具有可比性和趨同性。故在驗(yàn)證被加工面微觀形態(tài)的符合性時，采用二維測量是完全可行的，最多為了更加客觀起見，可選相距較遠(yuǎn)的位置多“拉”幾條線、即多測幾次而已。這種做法迄今還為國內(nèi)外制造業(yè)所廣泛采用。
圖2 連續(xù)紋理表面的粗糙度測量
為確認(rèn)加工後的工件表面微觀構(gòu)造能滿足所要求的工藝性能，首先就要確立對應(yīng)的粗糙度評定參數(shù)，以對被檢表面的微觀特徵進(jìn)行有針對性的定量表述。以缸孔內(nèi)壁為例，如果僅采用Ra、Rz 等單一“振幅”類（又稱“高度”類）參數(shù)，顯然不足以完成對表面的正確評價，而必須再導(dǎo)入一些綜合性的評定參數(shù)。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(fù)荷粗糙度。從其形成的機(jī)制來看，相對於給定的一個值，它對應(yīng)最大的輪廓支承長度率。故Rk的實(shí)質(zhì)是這部分的中心區(qū)深度將在高負(fù)載運(yùn)行中被磨損掉，但又能最大程度地達(dá)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(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(xiàn)了摩擦付在高負(fù)載工況下的失靈保護(hù)。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(shí)Mr1表示了表面的初期磨損負(fù)荷率，而Mr2則為長期磨損負(fù)荷率。下面一組來自某汽車發(fā)動機(jī)廠缸孔內(nèi)壁粗糙度的要求頗有代表性：Rk 1.5~3.0，Rpk 0.3，Rvk 0.9~1.6，Mr1 10%，Mr2 80%~95%。此外，也還需要用幾項傳統(tǒng)的粗糙度評定參數(shù)同時對缸壁表面進(jìn)行監(jiān)控，分別為：Ra 0.375~0.75，Rz 3.0 ~5.0。
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