朱正德 大眾動力總成（上海）有限公司| 現代工業中千變萬化的產品功能要求，使得粗糙度的評定已發展出多樣化的評定參數，而相應標準的制訂無疑起着重要作用，方便了特定產品的有效測量和粗糙度測量儀器的功能完善。通讀本文中的數項典型實例，便可瞭解粗糙度的多樣化評定帶給產品質量控制的積極影響。 |
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隨着製造業界對粗糙度這一質量指標認識的不斷深化，用於表面微觀形狀誤差定量表述的粗糙度評定參數也日趨豐富和多樣化，目的是能夠更有針對性地描述微觀高低起伏的不同形態和程度對產品有關功能的影響。
必須指出，在這一點上，各個工業化國家和國際標準化組織（ISO）都制定了相應的標準來加以規範，並在很大程度上趨於一致。
而那些從事研製和生產粗糙度測量儀的知名專業廠商，也及時紛紛推出適應、具備各種評定參數檢測能力的新穎儀器，也促使用戶對其產品提出了更高要求，或是在對產品實施改進之後能予以有效監控。
以上這一連串的過程，真正體現了現代化製造業界的一種技術進步，其間，相應的技術標準則起了推波助瀾的積極作用。
傳統評定參數的局限性
1.何為傳統的粗糙度評定參數？
按幾何特性，粗糙度評定參數可分為：高度（有時也稱為“振幅” ）、間距和形狀（有時也稱為“材料比例” ）等三類。
在國家標準GB/T1031-95中，規定了3個高度、2個間距和1個形狀共6項評定參數：輪廓算術平均偏差Ra、微觀不平度10點高度Rz、輪廓最大高度Ry（高度類）；輪廓微觀不平度平均間距Sm、單峰平均間距S（間距類）以及輪廓支承長度率tp（形狀類）。
該標準還明確說明，三項高度參數是主要的。事實上，多年來最為國內製造業界熟悉、並廣泛應用於對工件表面粗糙度進行評定的，也確實是振幅類參數，尤其是其中的Ra、Rz。
若作一番比較，Ry由於只由取樣長度內兩點的高度信息所決定，其代表性較差，而相比之下Ra的代表性顯然是最好的。
但對於工件的有些功能性來講，如疲勞強度，Ry和Rz就要比Ra更易於反映，故近年來Rz的出現在增多。
2. 傳統方式的局限性
儘管如此，隨着對產品質量要求的不斷提高，上述傳統的粗糙度評定參數的局限性也越來越多地暴露了出來。
圖1 傳統評定參數的局限性（1） |
圖1中，a、b兩個表面有着完全不同的微觀結構，但按照評定參數Ra、Rz和Ry（即Rt）所規定的採樣和資料處理方式，對表面a和表面b測量後獲得的數值都是一樣的，從而會得出表面粗糙度的評定結果相同的結論。
這顯然很不合理，因為圖1a的表面微觀結構明顯容易磨損，故此時若仍用傳統的粗糙度評定參數，就難以做出正確的、切合實際的評價。
類似地，輪廓算術平均偏差Ra的採樣和資料處理方式雖然代表性最好，也會造成把表面微觀形態特征完全不同的被評定表面測得很接近的結果，如圖2。
圖2 傳統評定參數的局限性（2） |
雖然，在國家標準GB/T1031中也列入了非主要評定參數的“輪廓支承長度率tp”，作為一種形狀、也即材料比例參數，能夠完善對工件表面微觀結構的評定，但產品、零部件的功能性要求是各式各樣的，為了對表面的一些微觀特性有更加直觀、更有針對性的揭示和反映，近年來出現了眾多的粗糙度評定參數，並由相應的標準加以規範。
負荷曲線與缸孔內壁的粗糙度評定
1.負荷曲線的定義
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、又稱“材料比例曲線”（Material ratio curve）的概念，見圖3。
圖3 負荷曲綫與輪廓材料比Rmr（C） |
在圖3b所示的負荷曲線中，其高度相當於最高峰頂線和最低谷底線之間的垂直距離，即Rt，也就是國標中的Ry，從兩者對材料比例的佔有來看，正好是0和100%。
而特性值Rmr（C）則為：
差異很大的表面微觀結構將對應不同的負荷曲線，這從圖4中可以看得很清楚。
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量時，發揮了十分重要的作用。一個有代表性的實例就是對缸孔表面的評定。
圖4 負荷曲綫對表面微觀結構的識別 |
2.負荷曲線應用的典型實例
在發動機中，除了承受的負載、運動的方式、零件的材質和潤滑劑的性狀外，零件表面的微觀形狀也對產品工作性能有着巨大影響。
那麽，怎樣才能使經過研磨加工的缸壁成為高耐磨的表面——既能降低油耗，還能通過減少摩擦來延長發動機的壽命，並借助形成的儲油槽體系在工作面接近磨損極限狀態時起到保護作用呢？
德國通過制定標準DIN 4776，率先提出了一組粗糙度評定指標。在之後的若乾年中，這一指標先後被ISO組織和一些工業化國家所接受，並體現在相關的標準中，如ISO13565-2：1996和日本的JISBO671-2：2002中。
圖5即為缸孔內壁粗糙度的示意圖，從圖中可見，用於粗糙度評定的指標有5項（不計那些傳統的評定參數），分別為：Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2。
而整個評定過程建立在前面介紹過的負荷曲線、即材料比例曲線的基礎上。圖4中的Mr是用百分比表示的輪廓支承長度率，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，只採用有特定含義的Mr1和Mr2。
處理方式為：以一段支承長度率為40%的直線，沿着負荷曲線的中段移動，直到與曲線的擬合程度最好、且斜率為最小時為止，然後把直線向兩端延長，從而獲得最重要的一項評定參數Rk。
客觀地講，缸孔表面經研磨後，其負荷曲線的中段近似於直線（見圖5），因此上述過程還比較易於實現。
圖5 用於缸壁粗糙度評定的主要參數示意圖
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從圖5可見，由對應於Rk的兩截止線—也就是決定Rk高度的兩平行線與負荷曲線的交點，可得到Mr1和Mr2。再通過這兩點分別“左斜向上”、“右斜向下”，形成2個直角三角形，它們的頂點就決定了參數Rpk和Rvk。以深色陰影表示的2個三角形的面積應與負荷曲線被截的面積相等。
在這些評定參數中，Rk稱為中心區峰穀高度，又稱有效負荷粗糙度。從其形成機制來看，相對於給定的一個值，它對應最大的輪廓支承長度率。故Rk的實質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是超過中心區峰穀高度的輪廓波峰平均高度，又被稱為初期磨損高度，而Rvk是從中心區下限到有實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、波谷輪廓支承長度率，由輪廓中心區上、下截止線決定，其實Mr1表示了表面的初期磨損負荷率，而Mr2則為長期磨損負荷率。
下面是一組有代表性的缸孔內壁粗糙度評定要求，來自某一汽車發動機廠：Rk 1.5~3.0，Rpk 0.3，Rvk 0.9~1.6，Mr1 10%，Mr2 80~95%。
3.負荷曲線系列參數的應用情況
在對缸孔內壁進行粗糙度檢測中，上述評定參數已得到廣泛應用，經過對國內一些主流汽車發動機廠和柴油機廠的調查，超過三分之二的單位已然採用，包括一些國有企業和民營企業。至於仍然採用傳統的粗糙度評定參數的企業，多數是柴油機廠。調查中只發現一家內燃機廠是選擇Rz和tp作為評定參數的。
當然，Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2的適用範圍並不只局限於發動機的缸孔，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，從歐美一些大企業的轎車發動機曲軸技術要求中發現，曲軸主軸頸、連杆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。
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，就對承載表面有着這樣的要求，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佈均勻，在承載面上存在單個（即並非密集存在）波谷卻是完全允許的。
評定參數Rp和Rpm的定義
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鑒於此，標準DIN4762提出了粗糙度評定參數Rp和Rpm，並通過進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，Rp和Rpm的定義有些類似於Rz：
‧Rp—評價長度ln由5個相等的單個取樣長度le組成，RP/1~RP/5分別是各個le範圍內輪廓的最高波峰至中心線的距離，稱為單峰高度，而最大峰高Rp即為5個單峰高度中的最大值。
‧Rpm—上述5個單峰高度的平均值就是Rpm，即
當Rpm值較小時，表面微觀輪廓將呈現較寬的波峰和較窄的波谷，此時的峰頂會顯示弧形，而穀底則會顯示銳利狀，如圖7所示。
但這只是一種定性分析，為了能就被測表面的微觀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，表面微觀結構將為能滿足耐磨要求的弧形、較寬波峰狀（稱為“半圓形蜂窩狀輪廓”），而當RPM / RZ時，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和微觀結構識別模式的應用其實還是較廣泛的，軸承類產品只是一個重要領域。在其他如導軌結構的運動面，乃至在一些工件或產品表面進行的噴塗、電鍍之前，也會對其微觀結構提出類似的相關要求。
連杆大頭孔的粗糙度評定
1.大頭孔內摩擦付的結構及演變
在發動機的活塞—連杆—曲軸運動機構中，與後者中的曲軸連杆軸頸組成摩擦付的，並非是連杆大頭孔的內壁，而是一對（兩半）軸瓦。
連杆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，兩者之間不僅沒有高頻次的相對運動，而且還要求在傳遞高負荷的扭矩時竭力避免出現滑動，哪怕是很小的錯移，以免影響發動機的運行。
為此，在產品結構和工藝上，採取了分別在兩片軸瓦和分體的兩半連杆上加工止口的方法，以防止產生滑移現象。
近年來，汽車發動機業界出於種種考慮，不斷改進產品結構和修改工藝，上述連杆軸瓦止口限位工藝已在一些企業的新產品中被取消，且這種情況逐漸在增多。
顯然，這種簡化了的結構和工藝直接帶來了對連杆大頭孔內壁與軸瓦之間的配合會提出更高的要求，最基本的一點就是：被緊緊壓入孔中的軸瓦與孔壁必須有足夠的摩擦力，以確保發動機在高速運轉中軸瓦不會有滑移。
2.粗糙度評定
為此，對連杆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保持在一定範圍內，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衍生出來的，D稱為輪廓峰密度，是在評定長度內，所測得的波峰和波谷的總數，而輪廓微觀不平度的平均間距Sm是波峰之間在中線方向上的平均距離，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被稱為“標準化的輪廓波峰統計”，有時簡稱為“波峰計數（Peak Count）”，即在評定長度內，超過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，計數原則為輪廓線都超出邊界的上下限，而且需要將評定長度內的PC轉換成長度為10mm的標準距離。
一般情況下，統計邊界位於中線的兩側，呈對稱狀，也就是圖9中的C1=C2，當然，用戶也可以根據自身的實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，被測表面上10mm標準距離內的波峰計數值PC必須大於n。舉一個實例予以說明：
‧Rz=（8±3）μm 取樣長度0.8mm，評定長度4mm
‧PC min =170/cm統計邊界 ±0.3μm
實際進行粗糙度測量時，儀器只經過4mm的評定長度，但在評定時，需轉換到10mm的標準距離，並要求PC≧170，而統計邊界為±0.3μm。
之所以要在連杆大頭孔的加工工藝中設置這樣的技術條件，目的就是確保當軸瓦壓入後有足夠的摩擦力，確切地說是粘合力，以抵禦當發動機運轉、連杆通過曲軸的連杆軸頸傳遞高載荷扭矩時不會發生滑移現象。
但類似前面介紹的一些評定參數，其實“波峰計數PC”在其他場合也有成功的應用，尤其對於冶金行業一些特殊需要的鋼材，為滿足塗飾性技術要求，也已將它列為必檢的粗糙度評定指標。
結論
粗糙度指標是零部件技術要求的重要組成部分，但只有從產品功能特點出發，有針對性地設置評定參數，再進行檢測，才能對被檢表面的微觀特性作出深刻的、正確的評價，從而確保產品功能的實現。
隨着產品、工藝技術的不斷發展和對表面微觀結構認識的深化，通過標準先行，不斷豐富粗糙度評定參數的品種，並利用不斷完善的儀器和資料處理模式來完成相應的各項檢測，真正體現為製造業的一種技術進步。
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