朱正德 大众动力总成（上海）有限公司| 现代工业中千变万化的产品功能要求，使得粗糙度的评定已发展出多样化的评定参数，而相应标准的制订无疑起着重要作用，方便了特定产品的有效测量和粗糙度测量仪器的功能完善。通读本文中的数项典型实例，便可了解粗糙度的多样化评定带给产品质量控制的积极影响。 |
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随着制造业界对粗糙度这一质量指标认识的不断深化，用於表面微观形状误差定量表述的粗糙度评定参数也日趋丰富和多样化，目的是能够更有针对性地描述微观高低起伏的不同形态和程度对产品有关功能的影响。
必须指出，在这一点上，各个工业化国家和国际标准化组织（ISO）都制定了相应的标准来加以规范，并在很大程度上趋於一致。
而那些从事研制和生产粗糙度测量仪的知名专业厂商，也及时纷纷推出适应、具备各种评定参数检测能力的新颖仪器，也促使用户对其产品提出了更高要求，或是在对产品实施改进之後能予以有效监控。
以上这一连串的过程，真正体现了现代化制造业界的一种技术进步，其间，相应的技术标准则起了推波助澜的积极作用。
传统评定参数的局限性
1.何为传统的粗糙度评定参数？
按几何特性，粗糙度评定参数可分为：高度（有时也称为“振幅” ）、间距和形状（有时也称为“材料比例” ）等三类。
在国家标准GB/T1031-95中，规定了3个高度、2个间距和1个形状共6项评定参数：轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度10点高度Rz、轮廓最大高度Ry（高度类）；轮廓微观不平度平均间距Sm、单峰平均间距S（间距类）以及轮廓支承长度率tp（形状类）。
该标准还明确说明，三项高度参数是主要的。事实上，多年来最为国内制造业界熟悉、并广泛应用於对工件表面粗糙度进行评定的，也确实是振幅类参数，尤其是其中的Ra、Rz。
若作一番比较，Ry由於只由取样长度内两点的高度信息所决定，其代表性较差，而相比之下Ra的代表性显然是最好的。
但对於工件的有些功能性来讲，如疲劳强度，Ry和Rz就要比Ra更易於反映，故近年来Rz的出现在增多。
2. 传统方式的局限性
尽管如此，随着对产品质量要求的不断提高，上述传统的粗糙度评定参数的局限性也越来越多地暴露了出来。
图1 传统评定参数的局限性（1） |
图1中，a、b两个表面有着完全不同的微观结构，但按照评定参数Ra、Rz和Ry（即Rt）所规定的采样和资料处理方式，对表面a和表面b测量後获得的数值都是一样的，从而会得出表面粗糙度的评定结果相同的结论。
这显然很不合理，因为图1a的表面微观结构明显容易磨损，故此时若仍用传统的粗糙度评定参数，就难以做出正确的、切合实际的评价。
类似地，轮廓算术平均偏差Ra的采样和资料处理方式虽然代表性最好，也会造成把表面微观形态特征完全不同的被评定表面测得很接近的结果，如图2。
图2 传统评定参数的局限性（2） |
虽然，在国家标准GB/T1031中也列入了非主要评定参数的“轮廓支承长度率tp”，作为一种形状、也即材料比例参数，能够完善对工件表面微观结构的评定，但产品、零部件的功能性要求是各式各样的，为了对表面的一些微观特性有更加直观、更有针对性的揭示和反映，近年来出现了众多的粗糙度评定参数，并由相应的标准加以规范。
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，见图3。
图3 负荷曲綫与轮廓材料比Rmr（C） |
在图3b所示的负荷曲线中，其高度相当於最高峰顶线和最低谷底线之间的垂直距离，即Rt，也就是国标中的Ry，从两者对材料比例的占有来看，正好是0和100%。
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，这从图4中可以看得很清楚。
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。
图4 负荷曲綫对表面微观结构的识别 |
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。
那麽，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。在之後的若乾年中，这一指标先後被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。
图5即为缸孔内壁粗糙度的示意图，从图中可见，用於粗糙度评定的指标有5项（不计那些传统的评定参数），分别为：Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2。
而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。图4中的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於实现。
图5 用於缸壁粗糙度评定的主要参数示意图
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从图5可见，由对应於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。
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
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鉴於此，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的定义有些类似於Rz：
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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。
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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，如图7所示。
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。
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。
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Rz A±a
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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，也就是图9中的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：
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Rz=（8±3）μm 取样长度0.8mm，评定长度4mm
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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。
结论
粗糙度指标是零部件技术要求的重要组成部分，但只有从产品功能特点出发，有针对性地设置评定参数，再进行检测，才能对被检表面的微观特性作出深刻的、正确的评价，从而确保产品功能的实现。
随着产品、工艺技术的不断发展和对表面微观结构认识的深化，通过标准先行，不断丰富粗糙度评定参数的品种，并利用不断完善的仪器和资料处理模式来完成相应的各项检测，真正体现为制造业的一种技术进步。
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