一.負(fù)荷曲線與缸孔內(nèi)壁的粗糙度評(píng)定

　　1.負(fù)荷曲線的定義

　　標(biāo)準(zhǔn)DIN EN ISO4287引入了特性值“輪廓材料比Rmr(C)”(Roughness profile material ratio)和負(fù)荷曲線、又稱“材料比例曲線”(Material ratio curve)的概念。

　　而特性值Rmr(C)則為：

　　差異很大的表面微觀結(jié)構(gòu)將對(duì)應(yīng)不同的負(fù)荷曲線。

　　然而，更為重要的還是由此派生出的那些有針對(duì)性的粗糙度評(píng)定參數(shù)，它們?cè)诜从澈捅O(jiān)控工件表面加工質(zhì)量時(shí)，發(fā)揮了十分重要的作用。一個(gè)有代表性的實(shí)例就是對(duì)缸孔表面的評(píng)定。

　　2.負(fù)荷曲線應(yīng)用的典型實(shí)例

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)中，除了承受的負(fù)載、運(yùn)動(dòng)的方式、零件的材質(zhì)和潤(rùn)滑劑的性狀外，零件表面的微觀形狀也對(duì)產(chǎn)品工作性能有著巨大影響。

　　那么，怎樣才能使經(jīng)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(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，并借助形成的儲(chǔ)油槽體系在工作面接近磨損極限狀態(tài)時(shí)起到保護(hù)作用呢?

　　德國(guó)通過制定標(biāo)準(zhǔn)DIN 4776，率先提出了一組粗糙度評(píng)定指標(biāo)。在之后的若干年中，這一指標(biāo)先后被ISO組織和一些工業(yè)化國(guó)家所接受，并體現(xiàn)在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，如ISO13565-2：1996和日本的JISBO671-2：2002中。

　　整個(gè)評(píng)定過程建立在前面介紹過的負(fù)荷曲線、即材料比例曲線的基礎(chǔ)上。Mr是用百分比表示的輪廓支承長(zhǎng)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(píng)定參數(shù)，只采用有特定含義的Mr1和Mr2。

　　處理方式為：以一段支承長(zhǎng)度率為40%的直線，沿著負(fù)荷曲線的中段移動(dòng)，直到與曲線的擬合程度最好、且斜率為最小時(shí)為止，然後把直線向兩端延長(zhǎng)，從而獲得最重要的一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)Rk。

　　客觀地講，缸孔表面經(jīng)研磨後，其負(fù)荷曲線的中段近似於直線(見圖5)，因此上述過程還比較易于實(shí)現(xiàn)。

　　由對(duì)應(yīng)于Rk的兩截止線—也就是決定Rk高度的兩平行線與負(fù)荷曲線的交點(diǎn)，可得到Mr1和Mr2。再通過這兩點(diǎn)分別“左斜向上”、“右斜向下”，形成2個(gè)直角三角形，它們的頂點(diǎn)就決定了參數(shù)Rpk和Rvk。以深色陰影表示的2個(gè)三角形的面積應(yīng)與負(fù)荷曲線被截的面積相等。

　　在這些評(píng)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。從其形成機(jī)制來看，相對(duì)於給定的一個(gè)值，它對(duì)應(yīng)最大的輪廓支承長(zhǎng)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(rùn)滑油的儲(chǔ)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(zhǎng)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(zhǎng)期磨損負(fù)荷率。

　　下面是一組有代表性的缸孔內(nèi)壁粗糙度評(píng)定要求，來自某一汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠：Rk 1.5~3.0，Rpk 0.3，Rvk 0.9~1.6，Mr1 10%，Mr2 80~95%。

　　3.負(fù)荷曲線系列參數(shù)的應(yīng)用情況

　　在對(duì)缸孔內(nèi)壁進(jìn)行粗糙度檢測(cè)中，上述評(píng)定參數(shù)已得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)一些主流汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠和柴油機(jī)廠的調(diào)查，超過三分之二的單位已然采用，包括一些國(guó)有企業(yè)和民營(yíng)企業(yè)。至於仍然采用傳統(tǒng)的粗糙度評(píng)定參數(shù)的企業(yè)，多數(shù)是柴油機(jī)廠。調(diào)查中只發(fā)現(xiàn)一家內(nèi)燃機(jī)廠是選擇Rz和tp作為評(píng)定參數(shù)的。

　　當(dāng)然，Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2的適用范圍并不只局限於發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)用。近幾年，從歐美一些大企業(yè)的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸技術(shù)要求中發(fā)現(xiàn)，曲軸主軸頸、連桿軸頸表面粗糙度的評(píng)定項(xiàng)目中，也已包含了Rk、Rvk和Rpk等評(píng)定參數(shù)。

　　二.軸承表面的粗糙度評(píng)定

　　軸承作為重要的、使用最廣泛的機(jī)械基礎(chǔ)件之一，為了確保其性能和額定的工作壽命，就對(duì)承載表面有著這樣的要求，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布均勻，在承載面上存在單個(gè)(即并非密集存在)波谷卻是完全允許的。

　　評(píng)定參數(shù)Rp和Rpm的定義

　　鑒于此，標(biāo)準(zhǔn)DIN4762提出了粗糙度評(píng)定參數(shù)Rp和Rpm，并通過進(jìn)一步引入與已有的評(píng)定參數(shù)Rz的比值，也作為一項(xiàng)指標(biāo)，從而建立了可靠而又明確的識(shí)別、區(qū)分被測(cè)表面輪廓形狀的模式。從圖6可見，Rp和Rpm的定義有些類似于Rz：

　　• Rp—評(píng)價(jià)長(zhǎng)度ln由5個(gè)相等的單個(gè)取樣長(zhǎng)度le組成，RP/1~RP/5分別是各個(gè)le范圍內(nèi)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(gè)單峰高度中的最大值。

　　• Rpm—上述5個(gè)單峰高度的平均值就是Rpm，即

　　當(dāng)Rpm值較小時(shí)，表面微觀輪廓將呈現(xiàn)較寬的波峰和較窄的波谷，此時(shí)的峰頂會(huì)顯示弧形，而谷底則會(huì)顯示銳利狀。

　　但這只是一種定性分析，為了能就被測(cè)表面的微觀形狀建立更有意義的定量識(shí)別模式，就要引入與另一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)Rz的比值這一指標(biāo)。當(dāng)比值RPM / RZ<0.5時(shí)，表面微觀結(jié)構(gòu)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(dāng)RPM / RZ時(shí)，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(píng)定參數(shù)，Rp、Rpm和微觀結(jié)構(gòu)識(shí)別模式的應(yīng)用其實(shí)還是較廣泛的，軸承類產(chǎn)品只是一個(gè)重要領(lǐng)域。在其他如導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)面，乃至在一些工件或產(chǎn)品表面進(jìn)行的噴涂、電鍍之前，也會(huì)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)提出類似的相關(guān)要求。

　　三.連桿大頭孔的粗糙度評(píng)定

　　1.大頭孔內(nèi)摩擦付的結(jié)構(gòu)及演變

　　在發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞—連桿—曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，與後者中的曲軸連桿軸頸組成摩擦付的，并非是連桿大頭孔的內(nèi)壁，而是一對(duì)(兩半)軸瓦。

　　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(duì)運(yùn)動(dòng)，而且還要求在傳遞高負(fù)荷的扭矩時(shí)竭力避免出現(xiàn)滑動(dòng)，哪怕是很小的錯(cuò)移，以免影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

　　為此，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上加工止口的方法，以防止產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。

　　近年來，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)界出於種種考慮，不斷改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和修改工藝，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(jiǎn)化了的結(jié)構(gòu)和工藝直接帶來了對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁與軸瓦之間的配合會(huì)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(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中軸瓦不會(huì)有滑移。

　　2.粗糙度評(píng)定

　　為此，對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁的粗糙度提出了如下要求。

　　• Rz A±a

　　• PC min n (±C)

　　第一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)的指標(biāo)值不同於習(xí)慣表示，而是要求Rz保持在一定范圍內(nèi)，以確保被測(cè)表面必須“粗糙”到一定程度。

　　另一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)PC是從較早就已存在的二項(xiàng)由標(biāo)準(zhǔn)DIN4762、ISO4287確立的參數(shù)D和Sm衍生出來的，D稱為輪廓峰密度，是在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)，所測(cè)得的波峰和波谷的總數(shù)，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(shù)，但也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)規(guī)定的6項(xiàng)評(píng)定參數(shù)之一。

　　由歐洲標(biāo)準(zhǔn)EURONORM 49-83E和相近的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B46.1提出的評(píng)定指標(biāo)PC被稱為“標(biāo)準(zhǔn)化的輪廓波峰統(tǒng)計(jì)”，有時(shí)簡(jiǎn)稱為“波峰計(jì)數(shù)(Peak Count)”，即在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)，超過了所設(shè)定的統(tǒng)計(jì)邊界上限和下限(C1，C2)的波峰和波谷的數(shù)目。

　　但必須指出，計(jì)數(shù)原則為輪廓線都超出邊界的上下限，而且需要將評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)的PC轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度為10mm的標(biāo)準(zhǔn)距離。

　　一般情況下，統(tǒng)計(jì)邊界位於中線的兩側(cè)，呈對(duì)稱狀，也就是C1=C2，當(dāng)然，用戶也可以根據(jù)自身的實(shí)際情況任意設(shè)定統(tǒng)計(jì)邊界。

　　據(jù)此，我們就可以解讀評(píng)定指標(biāo)PC min n(±C)了，其含義是當(dāng)統(tǒng)計(jì)邊界為±C時(shí)，被測(cè)表面上10mm標(biāo)準(zhǔn)距離內(nèi)的波峰計(jì)數(shù)值PC必須大於n。舉一個(gè)實(shí)例予以說明：

　　• Rz=(8±3)μm 取樣長(zhǎng)度0.8mm，評(píng)定長(zhǎng)度4mm

　　• PC min =170/cm統(tǒng)計(jì)邊界 ±0.3μm

　　實(shí)際進(jìn)行粗糙度測(cè)量時(shí)，儀器只經(jīng)過4mm的評(píng)定長(zhǎng)度，但在評(píng)定時(shí)，需轉(zhuǎn)換到10mm的標(biāo)準(zhǔn)距離，并要求PC≧170，而統(tǒng)計(jì)邊界為±0.3μm。

　　之所以要在連桿大頭孔的加工工藝中設(shè)置這樣的技術(shù)條件，目的就是確保當(dāng)軸瓦壓入後有足夠的摩擦力，確切地說是粘合力，以抵御當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、連桿通過曲軸的連桿軸頸傳遞高載荷扭矩時(shí)不會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象。

　　但類似前面介紹的一些評(píng)定參數(shù)，其實(shí)“波峰計(jì)數(shù)PC”在其他場(chǎng)合也有成功的應(yīng)用，尤其對(duì)於冶金行業(yè)一些特殊需要的鋼材，為滿足涂飾性技術(shù)要求，也已將它列為必檢的粗糙度評(píng)定指標(biāo)。