多尺度表面形貌的功能評(píng)定與控制

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(rùn)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(rùn)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(píng)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(rùn)滑油的滯留性能,中心區(qū)對(duì)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(píng)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(duì)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(rùn)滑油滯留體積參數(shù),以此來表征缸套表面潤(rùn)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(píng)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(píng)定。劉小君等[7]對(duì)表面形貌的功能評(píng)定進(jìn)行了研究。

德國(guó)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(rùn)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(píng)定表面功能屬性。JB/T 9768-1999[11]沒有對(duì)形貌功能屬性作定量數(shù)值評(píng)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(píng)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(píng)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(píng)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(píng)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(duì)紋理成分的功能進(jìn)行數(shù)值評(píng)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(píng)定

基于支承率曲線的表面形貌功能評(píng)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(duì)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(píng)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(duì)應(yīng)精珩紋理,底部的線性區(qū)對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)表面的跑合、支承和流體滯留性能。

1.3 表面功能評(píng)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(rùn)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(píng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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?。設(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(chǎng)加工設(shè)備和檢測(cè)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(píng)定與加工控制。對(duì)平臺(tái)珩磨缸套表面的功能評(píng)定與控制研究表明,這種多尺度表面形貌的功能評(píng)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(píng)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(duì)缸套表面形貌空間結(jié)構(gòu)對(duì)功能屬性的影響作進(jìn)一步研究。

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