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          表面微觀結(jié)構(gòu)二維測量和三維測量的應(yīng)用分析

          作者: 時間:2013-03-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          在以汽車工業(yè)為代表的批量生產(chǎn)制造業(yè)中,工件迄今仍處於主流地位,這主要是由所采用的工藝和已建立的完善的評定體系決定的。但近幾年,隨著鐳射造型等新工藝在一些重要工序中的應(yīng)用日趨增多,也進(jìn)入了實(shí)用階段,本文就相關(guān)的評定參數(shù)做了介紹,并通過實(shí)例分別對采用傳統(tǒng)檢測手段和先進(jìn)的自動變焦光學(xué)方法進(jìn)行做了描述。

          工件的表面形貌包括了粗糙度、波度和形狀誤差,而則主要指前二項(xiàng),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,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。

          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(xiàng)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(xiàng)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)。

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          圖1 缸壁摩擦付表面的平臺結(jié)構(gòu)

          在圖1中,利用自最高峰頂向下1μm的截線c,分別與a、b兩種表面微觀結(jié)構(gòu)相交後的情況可以清晰地看到,後者的耐磨性要高得多,且同時具有相當(dāng)充分的儲油能力。如此的構(gòu)造,決定了有足夠的潤滑劑在摩擦付表面貯存,潤滑劑能將兩個摩擦付表面完全的分離,以及做到在任何運(yùn)行狀態(tài)下磨損最小。其機(jī)理是潤滑油由於特殊的工件表面微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)將能在表面駐留很長時間,并形成流體動態(tài)壓力。理想狀態(tài)下,在潤滑劑和施載體、受載體之間因粘著力而不會產(chǎn)生相對運(yùn)動。相對運(yùn)動只存在於潤滑層內(nèi)部,因而不會產(chǎn)生工件的很大磨損。不同於上述活塞環(huán)-缸壁(缸孔內(nèi)壁或缸套內(nèi)壁)這組摩擦付,在發(fā)動機(jī)的活塞—連桿—曲軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)中,與曲軸中的連桿軸頸組成運(yùn)動摩擦付的,并非直接是連桿大頭孔的內(nèi)壁,而是一對(兩半組成)軸瓦。因此,連桿大頭孔不同於之前研究的缸孔,其內(nèi)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(yùn)動,而且還要求在傳遞高負(fù)荷的扭矩時竭力避免出現(xiàn)滑動,那怕是很小的錯移,以免影響發(fā)動機(jī)的運(yùn)行。為此,長期以來在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝上,采取了分別在兩片軸瓦和分體的兩半連桿體上加工止口的方法,以防止產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。這已是很成熟的制造技術(shù),沿用至今。但近年來,汽車發(fā)動機(jī)業(yè)界出於種種考慮,不斷改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和改進(jìn)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,這種簡化了的結(jié)構(gòu)和工藝直接帶來了對連桿大頭孔內(nèi)壁與軸瓦之間的配合會提出更高的要求,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)動機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中軸瓦不會有滑移。而這一點(diǎn)也只能由連桿大頭孔內(nèi)壁的有特定要求的表面微觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和保證。那麼,該如何在工件表面產(chǎn)生和驗(yàn)證這些有特定要求的微觀結(jié)構(gòu)呢?

          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。

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          圖2 連續(xù)紋理表面的粗糙度測量

          3.工件表面微觀結(jié)構(gòu)符合性的驗(yàn)證

          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(xiàng)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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