表面粗糙度理論與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

一、表面粗糙度理論與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)的提出和發(fā)展與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，它經(jīng)歷了由定性評定到定量評定兩個(gè)階段。表面粗糙度對機(jī)器零件表面性能的影響從1918年開始首先受到注意，在飛機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，由于要求用zui少材料達(dá)到zui大的強(qiáng)度，人們開始對加工表面的刀痕和刮痕對疲勞強(qiáng)度的影響加以研究。但由于測量困難，當(dāng)時(shí)沒有定量數(shù)值上的評定要求，只是根據(jù)目測感覺來確定。在20世紀(jì)20～30年代，世界上很多工業(yè)國家廣泛采用三角符號(hào)(▽)的組合來表示不同精度的加工表面。

為研究表面粗糙度對零件性能的影響和度量表面微觀不平度的需要，從20年代末到30年代，德國、美國和英國等國的一些專家設(shè)計(jì)制作了輪廓記錄儀、輪廓儀，同時(shí)也產(chǎn)生出了光切式顯微鏡和干涉顯微鏡等用光學(xué)方法來測量表面微觀不平度的儀器，給從數(shù)值上定量評定表面粗糙度創(chuàng)造了條件。從30年代起，已對表面粗糙度定量評定參數(shù)進(jìn)行了研究，如美國的Abbott就提出了用距表面輪廓峰頂?shù)纳疃群椭С虚L度率曲線來表征表面粗糙度。1936年出版了Schmaltz論述表面粗糙度的專著，對表面粗糙度的評定參數(shù)和數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化提出了建議。但粗糙度評定參數(shù)及其數(shù)值的使用，真正成為一個(gè)被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)還是從40年代各國相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以后開始的。

首先是美國在 1940 年發(fā)布了 ASAB46.1 國家標(biāo)準(zhǔn)，之后又經(jīng)過幾次修訂，成為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) ANSI/ASMEB46.1-1988《表面結(jié)構(gòu)表面粗糙度、表面波紋度和加工紋理》，該標(biāo)準(zhǔn)采用中線制，并將Ra作為主參數(shù)；接著前蘇聯(lián)在 1945 年發(fā)布了 GOCT2789-1945《表面光潔度、表面微觀幾何形狀、分級和表示法》國家標(biāo)準(zhǔn)，而后經(jīng)過了 3 次修訂成為 GOCT2789-1973《表面粗糙度參數(shù)和特征》，該標(biāo)準(zhǔn)也采用中線制，并規(guī)定了包括輪廓均方根偏差(即現(xiàn)在的 Rq)在內(nèi)的 6 個(gè)評定參數(shù)及其相應(yīng)的參數(shù)值。另外，其它工業(yè)發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)大多是在 50 年代制定的，如聯(lián)邦德國在 1952 年 2 月發(fā)布了 DIN4760 和 DIN4762 有關(guān)表面粗糙度的評定參數(shù)和術(shù)語等方面的標(biāo)準(zhǔn)等。

以上各國的國家標(biāo)準(zhǔn)中都采用了中線制作為表面粗糙度參數(shù)的計(jì)算制，具體參數(shù)千差萬別，但其定義的主要參數(shù)依然是 Ra(或 Rq)，這也是間交流使用zui廣泛的一平》個(gè)參數(shù)。

二、表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)中的基本參數(shù)定義

隨著工業(yè)的發(fā)展和對外開放與技術(shù)合作的需要，我國對表面粗糙度的研究和標(biāo)準(zhǔn)化愈來愈被科技和工業(yè)界所重視，為迅速改變國內(nèi)表面粗糙度方面的術(shù)語和概念不統(tǒng)一的局面，并達(dá)到與統(tǒng)一的作用，我國等效采用標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制訂了 GB3505-1983《表面粗糙度術(shù)語表面及其參數(shù)》。GB3505 專門對有關(guān)表面粗糙度的表面及其參數(shù)等術(shù)語作了規(guī)定，其中有三個(gè)部分共 27 個(gè)參數(shù)術(shù)語：a. 與微觀不平度高度特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。其中定義的常用術(shù)語為：輪廓算術(shù)平均偏差 Ra、輪廓均方根偏差 Rq、輪廓zui大高度 Ry和微觀不平度十點(diǎn)高度 Rz等 11 個(gè)參數(shù)。b. 與微觀不平度間距特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。其中有輪廓微觀不平度的平均間距 Sm、輪廓峰密度 D、輪廓均方根波長 lq以及輪廓的單峰平均間距 S 等共 9個(gè)參數(shù)。c. 與微觀不平度形狀特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。這其中有輪廓偏斜度 Sk、輪廓均方根斜率 Dq和輪廓支承長度率 tp等共 5 個(gè)參數(shù)。

三、 精密加工表面性能評價(jià)的內(nèi)容及其迫切性

表面粗糙度參數(shù)這一概念開始提出時(shí)就是為了研究零件表面和其性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對表面形貌準(zhǔn)確的量化的描述。隨著加工精度要求的提高以及對具有特殊功能零件表面的加工需求，提出了表面粗糙度評價(jià)參數(shù)的定量計(jì)算方法和數(shù)值規(guī)定，同時(shí)這也推動(dòng)了國家標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)的形成和發(fā)展。

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，許多制件的表面被加工而具有特定的技術(shù)性能特征，諸如：制件表面的耐磨性、密封性、配合性質(zhì)、傳熱性、導(dǎo)電性以及對光線和聲波的反射性，液體和氣體在壁面的流動(dòng)性、腐蝕性，薄膜、集成電路元件以及人造器官的表面性能，測量儀器和機(jī)床的精度、可靠性、振動(dòng)和噪聲等等功能，而這些技術(shù)性能的評價(jià)常常依賴于制件表面特征的狀況，也就是與表面的幾何結(jié)構(gòu)特征有密切。因此，控制加工表面質(zhì)量的核心問題在于它的使用功能，應(yīng)該根據(jù)各類制件自身的特點(diǎn)規(guī)定能滿足其使用要求的表面特征參量。不難看出，對特定的加工表面，我們總希望用zui(或比較)恰當(dāng)?shù)谋砻嫣卣鲄?shù)去評價(jià)它，以期達(dá)到預(yù)期的功能要求；同時(shí)我們希望參數(shù)本身應(yīng)該穩(wěn)定，能夠反映表面本質(zhì)的特征，不受評定基準(zhǔn)及儀器分辨率的影響，減少因?qū)﹄S機(jī)過程進(jìn)行測量而帶來參數(shù)示值誤差。

但是從標(biāo)準(zhǔn)制定的特點(diǎn)和內(nèi)容上我們?nèi)菀装l(fā)現(xiàn)，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，特別是新型表面加工方法不斷出現(xiàn)和新的測量器具及測量方法的應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)中的許多參數(shù)已無法適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需求，尤其是在一些特殊加工場合，如精加工時(shí)，用不同方法加工得到的 Ra值相同(或很相近)的表面就不一定會(huì)具有相同的使用功能，可見，此時(shí) Ra值對這類表面的評定顯得無能為力了，而且傳統(tǒng)評定方法過于注重對高度信息做平均化處理，而幾乎忽視水平方向的屬性，未能反映表面形貌的全面信息。近年來在表面特性研究的領(lǐng)域內(nèi)，相對地說，關(guān)于零件表面功能特性方面的研究本身就較為薄弱，因?yàn)樗鼱可娴胶芏鄬W(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。機(jī)器的各類零件在使用中各有不同的要求，研究表面特征的功能適應(yīng)性將十分復(fù)雜，這也限制了對表面形貌與其功能特性關(guān)系的研究。

工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展迫切需要更加行之有效且適應(yīng)性更強(qiáng)的表面特征評價(jià)參數(shù)的出現(xiàn)，為解決這一矛盾，各國的許多學(xué)者都在這方面加大研究力度，以期在不遠(yuǎn)的將來制訂出一套功能特性顯著的參數(shù)。另一方面，為了防止“參數(shù)爆炸”，同時(shí)也防止大量相關(guān)參數(shù)的出現(xiàn)，要做到用一個(gè)參數(shù)來評價(jià)多個(gè)性能特性，用數(shù)量很少的一組參數(shù)實(shí)現(xiàn)對表面的本質(zhì)特征的準(zhǔn)確描述。

四、 表面粗糙度理論的新進(jìn)展

表面形貌評定的核心在于特征信號(hào)的無失真提取和對使用性能的量化評定，國內(nèi)外學(xué)者在這一方面做了大量工作，提出了許多分離與重構(gòu)方法。隨著當(dāng)今微機(jī)處理技術(shù)、集成電路技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等的發(fā)展，出現(xiàn)了用分形法、Motif *、*能參數(shù)集法、時(shí)間序列技術(shù)分析法、zui小二乘多項(xiàng)式擬合法、濾波法等各種評定理論與方法，取得了顯著進(jìn)展，下面對相對而言比較成熟的分形法、Motif *、特定*能參數(shù)集法進(jìn)行介紹。

1. 分形幾何理論

zui近，國內(nèi)外在表征和研究機(jī)加工表面的微觀結(jié)構(gòu)、接觸機(jī)理和表面粗糙度等方面越來越多地使用分形幾何理論這一有力的數(shù)學(xué)工具。研究表明，很多種機(jī)加工表面呈現(xiàn)出隨機(jī)性、多尺度性和自仿射性，即具有分形的基本特征，因而使用分形幾何來研究表面形貌將是合理地、有效地。確定分形的重要參數(shù)有分形維數(shù) D 和特征長度 A，它們可以衡量機(jī)加工表面輪廓的不規(guī)則性，理論上不隨取樣長度變化和儀器分辨率變化，并能反映表面形貌本質(zhì)的特征，能夠提供傳統(tǒng)的表面粗糙度評定參數(shù)(如 Ra、Ry、Rz等)所不能提供的信息。美國 TopoMetrix 公司生產(chǎn)的掃描探針顯微鏡(SPM)軟件體系中，已將分形維數(shù)作為評價(jià)表面微觀形貌的參數(shù)之一。

機(jī)械加工表面分形維數(shù)表達(dá)了表面所具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多少以及這些結(jié)構(gòu)的微細(xì)程度，微細(xì)結(jié)構(gòu)在整個(gè)表面中所占能量的相對大小。分形維數(shù)越大，表面中非規(guī)則的結(jié)構(gòu)就越多，并且結(jié)構(gòu)越精細(xì)，精細(xì)結(jié)構(gòu)所具有的能量相對越大，具有更強(qiáng)的填充空間的能力。

分形理論在實(shí)際應(yīng)用中還有許多工作有待進(jìn)一步研究。一是并非所有表面都具有分形特征，分形維數(shù)能否*表征實(shí)際表面，還有待進(jìn)一步研究；二是現(xiàn)有的分形數(shù)學(xué)模型并沒有考慮表面的功能特性，也沒有一種方*能*確定分形參數(shù)。

2、motif 法

隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，表面質(zhì)量不僅表現(xiàn)為表面的形狀誤差、波度、表面粗糙度等要求，而且對表面的峰、谷及其形成的溝、脈走向與分布等也有要求，需要對與表面功能密切相關(guān)的表面紋理結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評定。顯然，現(xiàn)在普遍采用的以 2 維參數(shù)為基礎(chǔ)的表面形貌評定方法過于注重高度信息，對高度信息做平均化處理，而幾乎忽視水平方向的屬性，不能反映表面的其實(shí)形貌。

Motif 法基于地貌學(xué)理論從表面原始信息出發(fā)，不采用任何輪廓濾波器，通過設(shè)定不同的閾值將波度和表面粗糙度分離開來，強(qiáng)調(diào)大的輪廓峰和谷對功能的影響，在評定中選取了重要的輪廓特征，而忽略了不重要的特征，該方法被引入法國汽車工業(yè)表面粗糙度和波度標(biāo)準(zhǔn)，也已制訂成標(biāo)準(zhǔn) ISO12085。

Motif 由兩個(gè)單個(gè)輪廓峰的zui高點(diǎn)之間的基本輪廓部分組成，兩個(gè)峰之間的谷為一個(gè)單個(gè)的 Motif，如圖 1 所示，

圖.1Motif

并用平行于輪廓的總走向的長度 AR，垂直于基本輪廓總走向的兩個(gè)深度 Hj 和 Hj+1，以及特征量T(T=min[Hj，Hj+1])表征。在設(shè)定閾值條件下，Motifs經(jīng)過不斷的合并，得到評定表面功能的 Motifs集合，ISO12085 推薦的參數(shù)見表 1。

表.1 Motif法的表征參數(shù)

Motif 的合并應(yīng)遵循 4 個(gè)條件，否則 2個(gè)相鄰的峰不能被合并，只能作為單個(gè)的Motif 處理。

1. 包絡(luò)條件如果兩個(gè)相鄰 Motif 的中間峰大于兩邊的峰，則 2 個(gè) Motif不能合并。
2. 寬度條件 2 個(gè)相鄰 Motif合并后的長度不大于A(對表面粗糙度Motif)或B(對表面波度)，則可以合并。預(yù)先設(shè)定的 Motif 寬度的zui大值 A 可以分離表面粗糙度和表面波度，實(shí)際上即為閾值。設(shè)定的 B 值則可以分離波度和殘留形狀。
3. 擴(kuò)大條件 2 個(gè) Motif 合并后的高度必須大于或等于原來的 2 個(gè) Motif
4. 度條件單個(gè) Motif 的高度必須小于合并后 Motif 高度的 60%。

Motif 法僅用 7 個(gè)參數(shù)就能對表面粗糙度和波紋度進(jìn)行完整的描述，它尤其適合沒有預(yù)行程或延遲行程的輪廓；在未知表面和過程上進(jìn)行技術(shù)分析；與表面的包絡(luò)面相關(guān)的性能研究；辯識(shí)粗糙度和波度具有相當(dāng)接近波長的輪廓。Motif 法以寬度閾值代替取樣長度，自動(dòng)給定截止波長，真實(shí)匹配輪廓的局部特征，評定參數(shù)少。但是 Motif 法的四個(gè)合并條件是來自多年的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論依據(jù)，并且三維 Motif 仍沒有統(tǒng)一的定義和合并準(zhǔn)則。

3. 特定功能參數(shù)集

在工程應(yīng)用中，機(jī)加工的許多零件表面需要具有特定的功能特性，如支承性能、密封性和潤滑油滯留性能等。基于這些功能需求，零件表面就必須被設(shè)計(jì)、加工成特定的形貌以滿足預(yù)期的應(yīng)用。所以我們有必要定義特定的功能參數(shù)來有效地表征零件表面的特殊屬性，零件表面從接觸應(yīng)用角度(如摩擦磨損，潤滑，密封緊密性，接觸應(yīng)力，接觸剛度、承載面積和熱導(dǎo)率等)和非接觸應(yīng)用角度(如光學(xué)鏡頭，表面維護(hù)和表面油漆處理)來看，其在功能方面的特殊屬性要求是極其廣泛的。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)針對表面特殊性能要求設(shè)定功能參數(shù)集。比較典型的是表征具有高預(yù)應(yīng)力表面的基于輪廓支承度率曲線的 Rk功能參數(shù)集。

在 20 世紀(jì) 80 年代初，Trautwein 提出了一個(gè)關(guān)于 Abbott-Firestone曲線的兩段線性模型，他用這個(gè)模型去表示缸膛表面的特征。從這個(gè)模型中還引伸出一個(gè)被稱為液體滯留容積的參數(shù)。zui近，又有學(xué)者把Abbott-Firestone曲線分成三個(gè)區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上提出了 Rk參數(shù)集，該參數(shù)集也正式地被寫進(jìn)德國DIN4776 標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)參數(shù)集主要是用于表征具有高預(yù)應(yīng)力的表面，如珩磨表面、拋光表面、磨削表面等，這些相關(guān)的參數(shù)將輪廓支承度率的增長描述成粗糙度輪廓深度的函數(shù)，結(jié)合氣缸套的平臺(tái)網(wǎng)紋本身的特點(diǎn)及氣缸套的工作狀況，確立了基于輪廓支承度率曲線的參數(shù)指標(biāo)，這套評定指標(biāo)能夠?qū)飧滋變?nèi)表面粗糙度輪廓的磨合特性、潤滑特性、網(wǎng)紋分布等進(jìn)行對應(yīng)的定量分析，實(shí)現(xiàn)完整、準(zhǔn)確地描述及評價(jià)氣缸套平臺(tái)網(wǎng)紋。輪廓支承長度率曲線 tp(c)，又稱 Abbott-Firestone曲線，是描述輪廓形狀的主要指標(biāo)。tp(c)能直觀地反映零件表面的耐磨性，對提高承載能力也具有重要的意義。在動(dòng)配合中，值 tp值大的表面，使配合面之間的接觸面積增大，減少了磨擦損耗，延長零件的壽命。從 tp(c)曲線的特征可以看出，它對氣缸套內(nèi)孔表面耐磨性能、潤滑性能，使用壽命等都有非常重要的意義。為此設(shè)定了一組基于輪廓支承長度率曲線的參數(shù)集，對應(yīng)氣缸套的實(shí)際工作狀況，對 tp(c)曲線進(jìn)行量化的描述，如圖 2 所示，粗糙度輪廓及對應(yīng)的tp(c)曲線被分為三個(gè)部分，分別為輪廓峰、核心輪廓和輪廓谷。

圖.2 基于 Abbott 曲線的評定參數(shù)

1. 簡約峰高 RPK 是指粗糙度核心輪廓上方的輪廓峰的平均高度。表面輪廓頂部的這一部分，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，將很快被磨損掉，其減低的高度將影響氣缸套進(jìn)入正常工作狀態(tài)的磨合時(shí)間，及實(shí)際材料磨損量。
2. 核心粗糙度深度 RK 在分離出輪廓峰和輪廓谷之后剩余的核心輪廓的深度為 RK。這一部分是氣缸套長期工作表面，它影響著氣缸套的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和使用壽命，是粗糙度輪廓的核心部分。
3. 簡約谷深 RVK 是指從粗糙度核心輪廓延伸到材料內(nèi)的輪廓谷的平均深度。這些深入表面的深溝槽在活塞相對缸套運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成附著性能很好的油膜，在提高孔的耐磨性、縮短發(fā)動(dòng)機(jī)磨合時(shí)間的同時(shí)，能大幅度降低油耗。
4. 輪廓支承長度率 Mr1 以百分?jǐn)?shù)表示的輪廓支承長度率 Mr1 是為一條將輪廓峰分離出粗糙度核心輪廓的截線而確定的。Mr1 值是氣缸套進(jìn)入長期工作表面的上限，其數(shù)值的大小直接反映了氣缸的加工水平和使用性能。
5. 輪廓支承長度率Mr2 以百分?jǐn)?shù)表示的輪廓支承長度率Mr2是為一條將輪廓谷分離出粗糙度核心輪廓的截線而確定的。Mr2 值是進(jìn)入長期工作表面的下限，其數(shù)值的大小不但決定了磨損量，還決定了工作表面以下深溝槽的貯油、潤滑能力。
6. 存油量 V0 粗糙度核心輪廓向下延伸到材料內(nèi)的輪廓谷的橫截面積實(shí)際上就是深溝網(wǎng)紋的存油量V0，它是 tp(c)曲線與右邊縱軸及 Mr2 對應(yīng)的截線構(gòu)成的陰影部分面積，它對缸套的潤滑性能無疑有重要意義。它近似為三角形面積：V0≈(100-Mr2)×RVK/2。

圖中參數(shù)的確定需要使用一條回歸線，回歸線的 40%以上的部分是 tp(c)曲線上的點(diǎn)構(gòu)成，回歸線在縱坐標(biāo)方向上的差值平方zui小，回歸線與縱軸兩交點(diǎn)之間的垂直距離即為核心粗糙度深度 RK，兩交點(diǎn)對應(yīng)的截線位置即為 Mr1、Mr2 對應(yīng)的截線位置。

對于 Rk參數(shù)集的功能特征參數(shù)，其定義方法在于把 Abbott-Firestone曲線分成不同的部分以對應(yīng)不同的功能區(qū)域。雖然這些方法可以成功地用來表征特定的一些工程表面，但是由于它主要是基于制造工藝經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論依據(jù)，這種方法在表征大多數(shù)其它的工程表面時(shí)會(huì)失去原有的意義。

五、結(jié)語

表面形貌極大地影響著零件的使用性能，合理地表征和評定表面形貌是一項(xiàng)具有重要意義的課題，表面粗糙度理論及標(biāo)準(zhǔn)在不足百年的時(shí)間內(nèi)得到了巨大的發(fā)展，隨著當(dāng)今微機(jī)處理技術(shù)、集成電路技術(shù)等的發(fā)展，出現(xiàn)了時(shí)序分析法、zui小二乘多項(xiàng)式擬合法、濾波法、分形法、Motif *、*能參數(shù)集法等各種評定方法，取得了諸多進(jìn)展，但是它們只能得到真實(shí)表面的有限信息，仍然存在一些問題有待完善：

1. 表面輪廓微觀統(tǒng)計(jì)特征的全面準(zhǔn)確描述問題；
2. 表面輪廓為隨機(jī)過程，評定參數(shù)的值并不確定，由此產(chǎn)生了測量不確定性問題；
3. 評定參數(shù)的相互關(guān)系以及參數(shù)數(shù)目越來越多的參數(shù)爆炸問題；
4. 表面輪廓的測量結(jié)果受測量基準(zhǔn)和儀器分辨率影響的問題；
5. 表面粗糙度參數(shù)與使用性能不能*對應(yīng)的問題。