几种常见类型的粗糙度评定方法

[2011/8/16]

　　一.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 material ratio)和负荷曲线、又称“材料比例曲线”(Material ratio curve)的概念。

　　而特性值Rmr(C)则为：

　　差异很大的表面微观结构将对应不同的负荷曲线。

　　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定。

　　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。

　　那么，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。在之后的若干年中，这一指标先后被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。

　　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。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，但从之後的介绍可知，作为粗糙度评定参数，只采用有特定含义的Mr1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，然後把直线向两端延长，从而获得最重要的一项评定参数Rk。

　　客观地讲，缸孔表面经研磨後，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于实现。

　　由对应于Rk的两截止线—也就是决定Rk高度的两平行线与负荷曲线的交点，可得到Mr1和Mr2。再通过这两点分别“左斜向上”、“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Rvk。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 1.5~3.0，Rpk 0.3，Rvk 0.9~1.6，Mr1 10%，Mr2 80~95%。

　　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、Rpk、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。

　　二.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

　　鉴于此，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的定义有些类似于Rz：

　　• Rp—评价长度ln由5个相等的单个取样长度le组成，RP/1~RP/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

　　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 / RZ<0.5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。

　　三.连杆大头孔的粗糙度评定

　　1.大头孔内摩擦付的结构及演变

　　在发动机的活塞—连杆—曲轴运动机构中，与後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±a

　　• PC min n (±C)

　　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的上下限，而且需要将评定长度内的PC转换成长度为10mm的标准距离。

　　一般情况下，统计边界位於中线的两侧，呈对称状，也就是C1=C2，当然，用户也可以根据自身的实际情况任意设定统计边界。

　　据此，我们就可以解读评定指标PC min n(±C)了，其含义是当统计边界为±C时，被测表面上10mm标准距离内的波峰计数值PC必须大於n。举一个实例予以说明：

　　• Rz=(8±3)μm 取样长度0.8mm，评定长度4mm

　　• PC min =170/cm统计边界 ±0.3μm

　　实际进行粗糙度测量时，仪器只经过4mm的评定长度，但在评定时，需转换到10mm的标准距离，并要求PC≧170，而统计边界为±0.3μm。

　　之所以要在连杆大头孔的加工工艺中设置这样的技术条件，目的就是确保当轴瓦压入後有足够的摩擦力，确切地说是粘合力，以抵御当发动机运转、连杆通过曲轴的连杆轴颈传递高载荷扭矩时不会发生滑移现象。

　　但类似前面介绍的一些评定参数，其实“波峰计数PC”在其他场合也有成功的应用，尤其对於冶金行业一些特殊需要的钢材，为满足涂饰性技术要求，也已将它列为必检的粗糙度评定指标。

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