胡兆穩(wěn) 劉小君 王 靜 劉 焜

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

0 引言

工程表面通常被設(shè)計(jì)和加工成特定的表面形貌結(jié)構(gòu),以滿足不同的功能要求。為改善內(nèi)燃機(jī)氣缸套表面的支承和潤滑性能,通常采用平臺(tái)珩磨技術(shù),先粗珩再精珩,由精珩紋理在一定高度上截取粗珩紋理而形成交叉網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)。精珩紋理支承載荷,粗珩紋理容納潤滑油和磨屑。與普通珩磨表面相比,平臺(tái)珩磨缸套表面大大地縮短了跑合時(shí)間,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[1]。如何定量評定平臺(tái)珩磨表面形貌的功能屬性,如何加工出符合功能要求的形貌結(jié)構(gòu),成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的表面形貌粗糙度參數(shù)很少與功能相聯(lián)系,因此,有必要提出專門的描述功能屬性的參數(shù)。

表面形貌結(jié)構(gòu)上不同高度部分有不同的功能屬性,如頂部與跑合有關(guān),谷區(qū)影響潤滑油的滯留性能,中心區(qū)對應(yīng)于工件在工作壽命期的磨損。因此,現(xiàn)有的表面形貌功能評定方法大都是使用支承率曲線,基于不同的算法,將支承率曲線分成不同的高度區(qū)(或功能區(qū)),以每個(gè)區(qū)的高度、面積或體積參數(shù)來表征表面形貌的跑合、支承和流體滯留等屬性。

Abbott和Firestone最早使用輪廓支承率曲線對工程表面進(jìn)行功能分析[2],Trautwein提出了支承率曲線的兩段線性模型,導(dǎo)出了潤滑油滯留體積參數(shù),以此來表征缸套表面潤滑性能[2]。Dong等[3-6]全面研究了三維表面形貌的表征,以5%和80%支承率為分界點(diǎn),將支承率曲線分成峰區(qū)、中心區(qū)和谷區(qū),定義了三個(gè)功能參數(shù),用于評定表面的支承和流體滯留性能,并應(yīng)用于缸套表面的功能評定。劉小君等[7]對表面形貌的功能評定進(jìn)行了研究。

德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 4776[8]使用三層表面模型,定義Rk參數(shù)組,用三個(gè)區(qū)的高度參數(shù)描述具有分層屬性表面的跑合、支承和潤滑性能,該標(biāo)準(zhǔn)已成為ISO標(biāo)準(zhǔn)[9]。Nielsen發(fā)現(xiàn)Rk參數(shù)組可以用來監(jiān)控珩磨加工[2]。ISO/TS CD 25178-2[10]將支承率曲線分成峰區(qū)、中心區(qū)和谷區(qū),定義了V參數(shù)組,以此來評定表面功能屬性。JB/T 9768-1999[11]沒有對形貌功能屬性作定量數(shù)值評定。

大多數(shù)工程表面都是由多個(gè)加工過程形成的多尺度表面,平臺(tái)珩磨表面是典型的多尺度表面。在多尺度表面中,不同加工過程形成的紋理成分處于不同的形貌高度上,具有不同的紋理粗糙度尺度和性能。多尺度表面形貌的功能評定,關(guān)鍵是描述不同紋理成分的功能屬性。因此,應(yīng)根據(jù)紋理成分的不同,將支承率曲線分成不同的功能區(qū)。上述表面形貌功能評定方法并不是基于紋理成分的不同來劃分功能區(qū),因而不一定適合多尺度表面的功能評定。

本文基于概率曲線和支承率曲線,以平臺(tái)珩磨缸套表面為例,研究多尺度表面形貌的功能評定與加工控制。利用概率曲線識(shí)別紋理成分,劃分表面形貌功能區(qū)范圍;再利用支承率曲線對紋理成分的功能進(jìn)行數(shù)值評定。通過分析平臺(tái)珩磨缸套表面形貌的高度結(jié)構(gòu)、功能和工藝之間的關(guān)系,研究了面向功能的表面形貌的加工控制問題。

1 表面形貌功能評定

基于支承率曲線的表面形貌功能評定方法,通常是根據(jù)一定的算法,將支承率曲線劃分成不同的功能區(qū),以每個(gè)區(qū)的高度、材料體積或空體積描述形貌的跑合、支承和流體滯留等性能。

對于平臺(tái)珩磨缸套表面,考慮到粗珩紋理和精珩紋理具有不同的摩擦學(xué)性能,因此,在評定表面形貌的功能屬性時(shí),應(yīng)以兩種紋理成分的分界點(diǎn)位置來劃分功能區(qū),為此,有必要定義合適的參數(shù)來表征表面形貌的高度結(jié)構(gòu),以識(shí)別不同的紋理成分。

1.1 表面形貌的高度表征

傳統(tǒng)的表面粗糙度參數(shù),如表面形貌高度均方根偏差Rq、高度分布偏斜度Rsk和高度分布峭度Rku等,無法識(shí)別不同的紋理,不適合表征由多個(gè)加工過程形成的多尺度表面。Williamson率先使用概率曲線來研究分層表面的跑合過程[12]。概率曲線是支承率曲線在正態(tài)概率坐標(biāo)紙上的表示,高斯高度分布表面的概率曲線是一條直線,直線的斜率等于紋理均方根粗糙度Rq。

由粗珩和精珩兩個(gè)高斯過程形成的平臺(tái)珩磨表面如圖1所示,其概率曲線呈現(xiàn)兩個(gè)線性區(qū),見圖2。頂部的線性區(qū)對應(yīng)精珩紋理,底部的線性區(qū)對應(yīng)粗珩紋理。經(jīng)過兩個(gè)線性區(qū)的回歸直線的斜率分別表示兩種紋理均方根粗糙度Rpq和Rvq,兩直線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)表示兩種紋理分界處的支承率Rmq,反映精珩紋理在粗珩紋理上的位置。這樣,兩種紋理粗糙度成分的大小和分界點(diǎn)位置都可以根據(jù)概率曲線確定。這種使用概率曲線的表面形貌高度表征方法已形成標(biāo)準(zhǔn)ISO13565-3[13],該標(biāo)準(zhǔn)定義三個(gè)表征參數(shù) Rpq、Rvq和Rmq,通常Rvq/Rpq應(yīng)大于等于5。

圖1 平臺(tái)珩磨缸套表面形貌

圖2 平臺(tái)珩磨表面形貌的概率曲線

1.2 表面形貌功能區(qū)劃分

平臺(tái)珩磨表面的高度表征參數(shù)Rmq表示兩種不同紋理分界處的支承率,因此,可以以Rmq為分界點(diǎn),將表面形貌劃分成平臺(tái)區(qū)和谷區(qū)?？紤]到平臺(tái)區(qū)頂部的外凸峰對跑合性能的影響,以5%支承率為分界點(diǎn),將平臺(tái)區(qū)劃分成峰頂區(qū)和中心區(qū)。中心區(qū)是支承率增長最快的部分。這樣,以5%支承率和Rmq為分界點(diǎn),將平臺(tái)珩磨表面支承率曲線劃分成三個(gè)功能區(qū),支承率0～5%為峰頂區(qū),5%～Rmq為中心區(qū),Rmq～100%為谷區(qū),見圖3。三個(gè)功能區(qū)分別對應(yīng)表面的跑合、支承和流體滯留性能。

1.3 表面功能評定參數(shù)

圖3 表面形貌功能區(qū)劃分

圖3 中的陰影面積A1和A2在數(shù)值上分別等于峰頂區(qū)的材料體積V mp和谷區(qū)空體積V vv[2],即

式中,tp(h)為表面形貌高度為h時(shí)的支承率;hmax、hmin分別為表面形貌最大和最小高度;h5、hmq分別為支承率為5%和Rmq時(shí)的表面形貌高度。

峰頂區(qū)材料體積Vmp越大,則面積 A1越大,表示峰頂區(qū)的平均高度越高,說明表面跑合磨損的高度變化越大,跑合性能越差。谷區(qū)空體積V vv越大,則谷區(qū)有更多的空間容納潤滑油。因此,峰頂區(qū)材料體積V mp可以反映表面形貌的跑合性能,谷區(qū)空體積Vvv可以描述谷區(qū)流體滯留性能。

精珩紋理的支承性能可以用中心區(qū)高度H c=h5-hmq評定。Rmq相同的表面,中心區(qū)高度Hc越小,說明中心區(qū)支承率增長越快,紋理的支承性能越好,在工作壽命期內(nèi)的磨損越小。

因此,峰頂區(qū)材料體積Vmp、中心區(qū)高度Hc和谷區(qū)空體積V vv三個(gè)功能參數(shù)可以分別表征平臺(tái)珩磨缸套表面的跑合、支承和流體滯留功能。

2 表面形貌的加工控制

在實(shí)際工程中,如何加工出符合功能要求的平臺(tái)珩磨缸套表面是需要研究的問題。

加工工藝決定表面形貌結(jié)構(gòu),表面形貌結(jié)構(gòu)決定其功能屬性。在本部分內(nèi)容中,通過分析表面形貌的高度結(jié)構(gòu)、功能和加工工藝之間的關(guān)系,研究面向功能的平臺(tái)珩磨缸套表面形貌加工控制問題。

2.1 表面形貌結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

表面形貌的功能取決于其結(jié)構(gòu)。表面形貌的功能參數(shù)隨高度參數(shù)的變化情況如圖4所示。

圖4 高度參數(shù)對功能參數(shù)的影響

由圖4a可見,當(dāng)Rpq和Rvq保持不變時(shí),隨著Rmq的不斷增大,即精珩紋理在粗珩紋理上的截取位置不斷降低,峰頂區(qū)材料體積V mp變化不明顯,說明跑合性能變化不大;中心區(qū)高度Hc略有增大,但是由于中心區(qū)的范圍大幅增加,所以中心區(qū)材料支承率增大更快,支承性能顯著提高;谷區(qū)空體積Vvv值則大幅減小,流體滯留性能下降。因此,在設(shè)計(jì)缸套表面形貌時(shí),應(yīng)綜合考慮支承性能和流體滯留性能要求來確定兩種紋理成分的位置。

圖4b給出了功能參數(shù)隨粗珩紋理粗糙度Rvq的變化情況。當(dāng)Rpq和Rmq不變時(shí),隨著Rvq增大,谷區(qū)空體積V vv和中心區(qū)高度H c都明顯增大,而峰頂區(qū)材料體積無明顯變化。說明增大粗珩紋理粗糙度可以提高谷區(qū)流體滯留性能,但是表面支承性能會(huì)下降。

精珩紋理粗糙度Rpq對功能參數(shù)的影響見圖4c。當(dāng)Rvq和Rmq不變時(shí),隨著Rpq增大,谷區(qū)空體積V vv和峰頂區(qū)材料體積V mp無明顯變化,中心區(qū)高度H c則明顯增大,支承性能下降。因此,降低精珩紋理粗糙度可以提高支承性能,而流體滯留性能變化不明顯。

根據(jù)上述分析,設(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)表面功能要求,設(shè)計(jì)出符合功能要求的缸套表面形貌結(jié)構(gòu),確定高度參數(shù)Rpq、Rvq和Rmq的值。我們已開發(fā)出相關(guān)設(shè)計(jì)程序,可以實(shí)現(xiàn)面向功能的缸套表面形貌設(shè)計(jì)。

2.2 表面形貌結(jié)構(gòu)與加工工藝的關(guān)系

表面形貌的加工工藝決定其結(jié)構(gòu)特征。平臺(tái)珩磨表面形貌是由粗珩和精珩兩道珩磨工序形成的,為獲得符合功能要求的結(jié)構(gòu),關(guān)鍵是合理匹配兩道珩磨工序的工藝參數(shù)[14],如磨粒尺寸、珩磨壓力和時(shí)間等。如果能夠在兩道珩磨工藝參數(shù)和表面高度參數(shù)Rpq、Rvq和Rmq之間建立某種關(guān)聯(lián),則可以通過控制兩道珩磨工藝參數(shù)的匹配,獲得符合功能要求的表面形貌結(jié)構(gòu)。

Anderberg等[15]的研究表明,雖然改變兩道珩磨工藝參數(shù)的匹配,會(huì)對平臺(tái)珩磨缸套表面的高度參數(shù)Rpq、Rvq和Rmq產(chǎn)生影響,如粗珩紋理粗糙度隨著粗珩壓力的增大而增大,精珩紋理粗糙度隨著精珩時(shí)間增大而減小,但是,很難在工藝參數(shù)與粗糙度參數(shù)之間建立系統(tǒng)性關(guān)聯(lián)。

Feng等[16]通過改變粗珩磨粒尺寸、精珩磨粒尺寸、粗珩時(shí)間、粗珩壓力、精珩時(shí)間、精珩壓力等珩磨工藝參數(shù),研究平臺(tái)珩磨表面的ISO13565粗糙度參數(shù)和工藝參數(shù)之間的關(guān)系,并運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理,建立了一個(gè)由工藝參數(shù)預(yù)測粗糙度參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?shí)際上,很難為珩磨過程建立一個(gè)解析模型,將珩磨工藝和表面形貌結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來[16]以實(shí)現(xiàn)表面形貌控制。實(shí)際工程中,為了加工出符合功能要求的平臺(tái)珩磨表面形貌結(jié)構(gòu),可以以ISO13565-3參數(shù)為紐帶,建立能夠聯(lián)系表面功能與加工工藝的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ＴO(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)表面功能要求,給出相應(yīng)的表面形貌高度參數(shù)值;加工工程師根據(jù)現(xiàn)場加工設(shè)備和檢測條件,建立表面形貌高度參數(shù)Rpq、Rvq和Rmq與珩磨工藝參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,根據(jù)給定的表面形貌高度參數(shù)值制訂工藝規(guī)范,確定工藝參數(shù),加工出符合功能要求的表面形貌結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)面向功能的表面質(zhì)量控制。

3 結(jié)語

本文基于概率曲線和支承率曲線,研究由多個(gè)加工過程形成的多尺度表面的功能評定與加工控制。對平臺(tái)珩磨缸套表面的功能評定與控制研究表明,這種多尺度表面形貌的功能評定方法是可行的;通過以 ISO13565-3粗糙度參數(shù)為紐帶,建立聯(lián)系表面功能與加工工藝的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?可以實(shí)現(xiàn)面向功能的表面形貌設(shè)計(jì)與控制。

由于支承率曲線只反映了表面形貌的高度結(jié)構(gòu),因此,基于支承率曲線的表面形貌功能評定方法不能反映表面形貌的空間結(jié)構(gòu)(如紋理類型、方向和連通性等)與功能之間的關(guān)系,下一步將對缸套表面形貌空間結(jié)構(gòu)對功能屬性的影響作進(jìn)一步研究。

[1] Hegemier T,Steward M.Some Effects of Liner Finish on Diesel Engine Operating Characteristics[J].SAE Paper,93076,1993.

[2] Dong W P,Sullivan P J,Stout K J.Comprehensive Study of Parameters for Characterizing Three-dimensional Surface Topography-III：Parameters for Characterizing Amplitude and Some Functional Properties[J].Wear,1994,178：29-43.

[3] Dong W P,Sullivan P J,Stout K J.Comprehensive Study of Parameters for Characterising 3-D Surface Topography-I：Some Inherent Properties of Parameter Variation[J].Wear,1992,159：161-171.

[4] Dong W P,Sullivan P J,Stout K J.Comprehensive Study of Parameters for Characterising 3-D Surface Topography-II：Statistical Properties of Parameter Variation[J].Wear,1993,167：9-21.

[5] Dong W P,Sullivan P J,Stout K J.Comprehensive Study of Parameters for Characterizing Three-dimensional Surface Topography-Ⅳ：Parameters for Characterizing Spatial and Hybrid Properties[J].Wear,1994,178：45-60.

[6] Dong W P,Davis E J,Butler D L,et al.Topographic Features of Cylinder Liners-an Application of Three-dimensional Characterization Techniques[J].Tribology International,1995,28(7)：453-463.

[7] 劉小君,劉焜,丁曙光,等.表面形貌摩擦學(xué)功能表征參數(shù)的研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,21(6)：68-71.

[8] German Standard Organisation.DIN 4776-1990 Measurement of Surface Roughness;Parameters Rk,Rpk,Rvk,Mr1,Mr2 for the Description of the Material Portion in the Roughness[S].Berlin：German Standard Organisation,1990.

[9] ISO 13565-2-1996 Geometrical Product Specifications(GPS)-Surface Texture：Profile Method;Surfaces Having Stratified Functional Properties-Part 2：Height Characterisation Using the Linear Material Ratio Curve[S].Geneva：ISO,1996.

[10] ISO/TS CD 25178-2-2006 Geometrical Product Specifications(GPS)-Surface Texture：Areal-Part 2：Terms,Definition and Surface Texture Parameters[S].Geneva：ISO,2007.

[11] 全國內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T9768-1999內(nèi)燃機(jī)氣缸套平臺(tái)珩磨網(wǎng)紋技術(shù)規(guī)范及檢測方法[S].北京：國家機(jī)械工業(yè)局,1999.

[12] Pawlus P,Grabon W.The Method of Truncation Parameters Measurement from Material Curve[J].Precision Engineering,2008,32(4)：342-347.

[13] ISO13565-3-1998 Geometrical Product Specifications(GPS)-Surface Texture：Profile Method;Surfaces Having Stratified Functional Properties-Part 3：Height Characterisation Using the Material Probability Curve[S].Geneva：ISO,1998.

[14] Sannaredy H,Raja J,Chen K.Characterization of Surface Texture Generated by Multi-process M anufacture[J].Int.J.Mach.Tools Manufacture,1998,38：529-536.

[15] Anderberg C,Pawlus P,Rosén B G,et al.Alternative Descriptions of Roughness for Cylinder Liner Production[J].Journal of Materials Processing Technology,2009,209(4)：1936-1942.

[16] Feng Changxue,Wang Xianfeng,Yu Zhiguang.Neural Networks Modeling of Honing Surface Roughness Parameters Defined by ISO 13565[J].Journal of Manufacturing Systems,2002,21(5)：395-408.