表面微观结构二维测量和三维测量的应用分析

在以汽车工业为代表的批量生产制造业中，工件表面微观结构的二维测量迄今仍处於主流地位，这主要是由所采用的工艺和已建立的完善的评定体系决定的。但近几年，随着镭射造型等新工艺在一些重要工序中的应用日趋增多，表面微观结构的三维测量也进入了实用阶段，本文就相关的评定参数做了介绍，并通过实例分别对采用传统检测手段和先进的自动变焦光学方法进行三维测量做了描述。

工件的表面形貌包括了粗糙度、波度和形状误差，而表面微观结构则主要指前二项，它们均为零件重要的质量监控指标。关於工件表面微观结构的三维测量，国外早在上世纪八、九十年代已经做了不少前期工作。以检测方式而言，就有藉助传统的触针/电感式粗糙度测量仪，通过增加一个精密工作台产生横向微量位移，以组成三维测量；此外还研究了数种不同原理的光学测量方法，如光切法、光学探针和乾涉显微镜等。尽管在此基础上开发的某些仪器也获得了一些应用，但主要还是在电子（材料）、军工等工业部门，且偏重於表面缺陷探测范畴。其实，迄止本世纪初，即使在工业化国家，表面微观结构的三维测量也还没有在那些主流制造业，如汽车行业中获得真正的应用，原因何在呢？

众所周知，检测技术本质上讲是服务於制造工艺的，是为了验证工艺方法的执行效果。而触针/电感型二维测量及其应用的评定参数至今仍然在国内外有着广泛的应用，正是因为它尚能适应、满足对批量生产条件下零件制造工艺执行效果的验证。

二维测量用於工件表面微观结构评定的技术分析

1.表面微观结构与工件配合面的工艺性能

为了确保产品的质量和可靠性，在零部件制造过程中，企业必须严格遵循技术要求，并在事後进行验证。以汽车发动机为例，几乎所有存在配合关系的工件，对其相关表面都有一定的要求，尤其是那些关键部位，其配合面的状态决定了所应具备的工艺性能，将直接影响发动机的运行质量。下面通过发动机中的汽缸体缸孔和连杆大头孔两个案例进行探讨。

作为发动机中那些重要的摩擦付，配合面的状态是否符合要求至关重要，在诸多影响因素中，除了表面硬度、宏观几何精度外，配合面的微观结构更是往往会决定相关的工艺性能。例如，对於缸孔来说，通常情况下，经过珩磨加工後的工件表面应同时具备这样两项功能，一方面需要具有很光顺的表面和尽可能多的承载面积，从而确保相互运动时的滑动性和耐磨性。另一方面，又需要一个开放性的表面微观结构，以保障表面的储油能力，即这个表面仍然是“粗糙”的。为了同时能体现出这两项功能，就需要使经珩磨加工的工件表面在相对粗糙的基础上呈现出平台结构的精细的表面形态（见图1b）。

图1 缸壁摩擦付表面的平台结构

在图1中，利用自最高峰顶向下1μm的截线c，分别与a、b两种表面微观结构相交後的情况可以清晰地看到，後者的耐磨性要高得多，且同时具有相当充分的储油能力。如此的构造，决定了有足够的润滑剂在摩擦付表面贮存，润滑剂能将两个摩擦付表面完全的分离，以及做到在任何运行状态下磨损最小。其机理是润滑油由於特殊的工件表面微观形态结构将能在表面驻留很长时间，并形成流体动态压力。理想状态下，在润滑剂和施载体、受载体之间因粘着力而不会产生相对运动。相对运动只存在於润滑层内部，因而不会产生工件的很大磨损。不同於上述活塞环-缸壁（缸孔内壁或缸套内壁）这组摩擦付，在发动机的活塞—连杆—曲轴运动机构中，与曲轴中的连杆轴颈组成运动摩擦付的，并非直接是连杆大头孔的内壁，而是一对（两半组成）轴瓦。因此，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，那怕是很小的错移，以免影响发动机的运行。为此，长期以来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体上加工止口的方法，以防止产生滑移现象。这已是很成熟的制造技术，沿用至今。但近年来，汽车发动机业界出於种种考虑，不断改进产品结构和改进工艺，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。而这一点也只能由连杆大头孔内壁的有特定要求的表面微观结构来实现和保证。那麽，该如何在工件表面产生和验证这些有特定要求的微观结构呢？

2.加工工艺方法与工件的表面纹理

无论是缸孔还是连杆大头孔，业内现今采用的最终精加工工艺仍是珩磨，通过精镗工序之後的粗珩和精珩两次珩磨（有时还会有半精珩），在工件表面进行宏观和微观几何加工。珩磨是利用油石、即砂条（一般称“珩磨条”）对工件进行加工的一种工艺过程，在表面形成的微观结构虽然会有所差别，见前一节图1a、b，但就其本质来讲，都属於连续性的纹理状，而这种形态又是一般传统的切削型工艺方法所共有的。事实上，无论是精镗、磨削，还是车、铣、刨，在工件表面形成的都无一不是连续性的纹理结构。图2是采用触针/电感方式对这类表面进行粗糙度测量的一张放大图，再结合图1的二帧示图，可以得到这样的结论：对应於利用传统工艺方法加工的工件表面，由於普遍呈现连续性的纹理结构，因此，在取向相同的情况下，采取二维测量时在不同截面所获得的测值具有可比性和趋同性。故在验证被加工面微观形态的符合性时，采用二维测量是完全可行的，最多为了更加客观起见，可选相距较远的位置多“拉”几条线、即多测几次而已。这种做法迄今还为国内外制造业所广泛采用。

图2 连续纹理表面的粗糙度测量

3.工件表面微观结构符合性的验证

为确认加工後的工件表面微观构造能满足所要求的工艺性能，首先就要确立对应的粗糙度评定参数，以对被检表面的微观特徵进行有针对性的定量表述。以缸孔内壁为例，如果仅采用Ra、Rz 等单一“振幅”类（又称“高度”类）参数，显然不足以完成对表面的正确评价，而必须再导入一些综合性的评定参数。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。从其形成的机制来看，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。下面一组来自某汽车发动机厂缸孔内壁粗糙度的要求颇有代表性：Rk 1.5~3.0，Rpk 0.3，Rvk 0.9~1.6，Mr1 10%，Mr2 80%~95%。此外，也还需要用几项传统的粗糙度评定参数同时对缸壁表面进行监控，分别为：Ra 0.375~0.75，Rz 3.0 ~5.0。