發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸粗糙度的測(cè)量誤差因素

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

在實(shí)際生產(chǎn)中，曲軸表面粗糙度達(dá)不到圖紙要求情況時(shí)有發(fā)生，其原因可能來自于測(cè)量、設(shè)備、工藝、材料等多種因素。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持人員來說粗糙度問題是一個(gè)比較棘手的問題，因?yàn)槠鋾?huì)造成工件的報(bào)廢甚至設(shè)備停機(jī)，直接影響生產(chǎn)成本和效率。因此，了解、分析加工粗糙度達(dá)不到要求的原因，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行研究探討是一件很有意義的事情。本文就導(dǎo)致測(cè)量誤差各種因素進(jìn)行分析研究，有助于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)測(cè)量結(jié)果超差的原因進(jìn)行分析判斷，迅速找到問題的原因，提高問題解決效率。

1 曲軸粗糙度有關(guān)的概念及測(cè)量方法

1.1 有關(guān)概念

（1）Ra—輪廓算術(shù)平均偏差:在取樣長(zhǎng)度l內(nèi)輪廓偏距絕對(duì)值的算術(shù)平均值（見圖1）。

圖1 Ra輪廓算術(shù)平均偏差示意圖

（2）Rz—微觀不平度十點(diǎn)高度：在一個(gè)取樣長(zhǎng)度l內(nèi)5個(gè)最大的輪廓峰高的平均值與5個(gè)最大的輪廓谷深的平均值之和（見圖2）。其中Ypi是第i個(gè)最大輪廓峰高，Yvi是第i個(gè)最大輪廓谷深。

圖2 Rz輪廓的最大高度示意圖

（3）Rp—原始最大的輪廓峰高：在取樣長(zhǎng)度l內(nèi)，從輪廓峰頂線至中線的距離（見圖3）。

圖3 RP原始最大的輪廓峰高示意圖

1.2 曲軸粗糙度的測(cè)量方法

粗糙度的測(cè)量方法通常有比較法、印模法、光切法、干涉法和針描法等。其中應(yīng)用最廣的是針描法。它具有性能穩(wěn)定，測(cè)量迅速，數(shù)字顯示，放大倍數(shù)高，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在計(jì)量室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)都獲得廣泛應(yīng)用。

針描法又稱觸針法。當(dāng)觸針直接在工件被測(cè)表面上輕輕劃過時(shí)，由于被測(cè)表面輪廓峰谷起伏，觸針將在垂直于被測(cè)輪廓表面方向上產(chǎn)生上下移動(dòng)，把這種移動(dòng)通過電子裝置把信號(hào)加以放大，然后通過指零表或其它輸出裝置將有關(guān)粗糙度的數(shù)據(jù)或圖形輸出來。

目前曲軸粗糙度測(cè)量一般都采用粗糙度輪廓儀，其中電感式輪廓粗糙度輪廓使用最為廣泛。電感傳感器是輪廓儀的主要部件之一，采用半橋氣隙精密傳感器2μm/5μm金剛石針尖，圓錐形針尖測(cè)量范圍可以達(dá)到0～1 200μm（同時(shí)記錄粗糙度和輪廓），最小分辨率達(dá)到0.001μm(1.0 nm)，測(cè)量力達(dá)到0.2～1 N。

2 曲軸粗糙度的測(cè)量誤差分析

電感式粗糙度輪廓儀測(cè)量曲軸粗糙度時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4，整個(gè)機(jī)構(gòu)包括工作臺(tái)、夾具、測(cè)量系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其工作原理簡(jiǎn)述如下：測(cè)量系統(tǒng)的一端裝有觸針，其尖端表面與被測(cè)表面接觸，當(dāng)觸針以勻速水平移動(dòng)時(shí)，被測(cè)表面的峰谷使觸針產(chǎn)生上下位移，使敏感元件的電感發(fā)生變化，從而引起交流載波波形發(fā)生變化。此波形經(jīng)過放大、濾波、檢波、積分運(yùn)算等部分處理以后，可以直接由儀器電器箱的讀數(shù)表上指示出來，也可以傳遞到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。從其工作原理來看，工件表面的狀態(tài)、部位、加工紋理、觸針的接觸狀態(tài)、波形的處理方式等因素都會(huì)影響曲軸表面粗糙度的測(cè)量結(jié)果，下面就此一一進(jìn)行分析。

圖4曲軸粗糙度測(cè)量的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 測(cè)量方向?qū)Υ植诙葴y(cè)量誤差的影響

測(cè)量方向的差異將導(dǎo)致不同的測(cè)量結(jié)果，所以粗糙度測(cè)量時(shí)測(cè)針應(yīng)垂直于加工痕跡的方向上進(jìn)行，不同的測(cè)量方向上測(cè)量的加工輪廓形狀分析結(jié)果見下面圖5。

圖5測(cè)量方向與加工輪廓示意圖

2.2 表面缺陷對(duì)粗糙度測(cè)量誤差的影響

不應(yīng)在有表面缺陷的位置測(cè)量粗糙度，在表面粗糙度評(píng)定中不應(yīng)把表面缺陷，如氣孔、劃痕、溝槽等包含進(jìn)行去，也不應(yīng)作為表面粗糙度合格與否的指標(biāo)。測(cè)量時(shí)應(yīng)避開這些地方，以上缺陷應(yīng)采用其它的方法進(jìn)行判定。

2.3 工件上的測(cè)量部位選擇不合理對(duì)粗糙度測(cè)量誤差的影響

由于種種因素的影響，同一加工方法加工出的同一表面，不同部位的粗糙度值會(huì)不一樣，因此在測(cè)量粗糙度數(shù)值時(shí)，應(yīng)在不同部位上測(cè)量，對(duì)多次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。粗糙度測(cè)量重復(fù)性很差，同一表面測(cè)量?jī)纱蔚慕Y(jié)果也可能會(huì)差別較大。比如軸頸表面如果某一截面粗糙度測(cè)量超差，建議選擇每旋轉(zhuǎn)90度測(cè)量另外3個(gè)截面粗糙度后取平均值更合理一些，但單個(gè)截面的粗糙度不應(yīng)該超過公差150%。

2.4 觸針針尖半徑及觸針角度對(duì)粗糙度測(cè)量誤差的影響

為使測(cè)量的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確反映被測(cè)量表面的實(shí)際輪廓，針尖半徑應(yīng)有最小的尖端，但尖端半徑過小不僅難于加工，而且極易磨損和劃傷被測(cè)量表面。一般來說，2μm的針尖測(cè)量粗糙度會(huì)更準(zhǔn)確，粗糙度值往往會(huì)比5μm針尖測(cè)量的結(jié)果要大。但是，2μm的針尖也更容易磨損，長(zhǎng)期測(cè)量的穩(wěn)定性應(yīng)該比5μm針尖要差。所以，采用哪一種針尖測(cè)量粗糙度，除了要看曲軸的產(chǎn)品圖紙是否有具體要求之外，還要根據(jù)針尖的使用情況作出選擇（見表1和表2）。

表1觸針針尖半徑公稱值及極限偏差

表2 角針角度公稱值及極限偏差（[rad(°)]）

2.5 測(cè)頭與工件測(cè)量表面的角度對(duì)粗糙度測(cè)量誤差的影響

測(cè)量時(shí)只有測(cè)頭與垂直，測(cè)量的結(jié)果才真實(shí)可信，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)不同的角度將出現(xiàn)不同的測(cè)量結(jié)果。尤其對(duì)于曲軸軸頸測(cè)量，存在兩個(gè)容易忽略的問題：

（1）由于曲軸軸頸表面是圓弧面，如何保證測(cè)頭垂直于軸頸表面，這和測(cè)頭和測(cè)桿角度調(diào)整、測(cè)頭在軸頸表面測(cè)量位置都有關(guān)系。

（2）如果曲軸沒有做徑向定位后就直接放在夾具上進(jìn)行粗糙度測(cè)量，每次曲軸放在夾具后會(huì)有一點(diǎn)徑向偏轉(zhuǎn)，即測(cè)頭與每個(gè)軸頸表面的垂直程度是不一樣的，測(cè)量粗糙度結(jié)果可能會(huì)有偏差。

2.6 測(cè)量位置對(duì)粗糙度測(cè)量誤差的影響

測(cè)量曲軸與測(cè)量其它平面不一樣，必須先將測(cè)量放置在曲軸軸頸的最高點(diǎn)，這樣測(cè)量的結(jié)果才有可能接近真值。比如對(duì)于連桿頸，最好是所有連桿頸在上止點(diǎn)位置測(cè)量軸頸表面粗糙度。另外，由于油孔的存在，油孔孔口毛刺在磨削或者拋光時(shí)可能影響油孔附近表面的粗糙度。如果可能的話，最好軸頸表面粗糙度測(cè)量離油孔遠(yuǎn)一些。

2.7 材料特性對(duì)粗糙度測(cè)量誤差的影響

目前，曲軸的粗糙度主要采用Ra或者Rz作為評(píng)定參數(shù)，Ra要求一般為0.15，Rz要求一般為1.0。在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，無論采用哪個(gè)指標(biāo)，粗糙度的測(cè)量數(shù)值都會(huì)受到材料本身特性的影響。比如球鐵曲軸存在在脫碳的情況，如果測(cè)頭在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)剛好測(cè)到脫碳點(diǎn)時(shí)，在測(cè)量圖形上會(huì)顯示一個(gè)2μm深的突變下凹的小坑。如圖6.

圖6脫碳點(diǎn)的測(cè)量示意圖

2.8 高斯濾波的對(duì)粗糙度測(cè)量誤差的影響

在目前的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，輪廓測(cè)量時(shí)是按照ISO11562標(biāo)準(zhǔn)的高斯濾波來分離一個(gè)評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)的輪廓度、不平度、波紋度的。在多數(shù)情況下，使用高斯濾波就可以滿足要求了。然而在現(xiàn)代化的制造過程中，當(dāng)濾波輪廓與材料的表面結(jié)構(gòu)相關(guān)時(shí)，測(cè)量的結(jié)果就缺乏相應(yīng)的穩(wěn)定性了（比如金屬基復(fù)合材料表面存在硬質(zhì)點(diǎn)）。在另外一些情況下，標(biāo)準(zhǔn)的高斯濾波過程上下波動(dòng)也縮短了濾波的二等分線。所以，形狀濾波也是高斯濾波的一個(gè)重要運(yùn)用。國(guó)外的研究表明，當(dāng)引入的截止波長(zhǎng)是3倍的輪廓特征寬度的時(shí)候，會(huì)獲得一個(gè)比較理想的結(jié)果。如下圖顯示一個(gè)EBT(電子照射紋理)輪廓表明有一個(gè)0.8mm左右的劃痕，在截止波長(zhǎng)為2.5 mm時(shí)，采用ISO 11562標(biāo)準(zhǔn)的高斯濾波[2]和羅伯特高斯回歸二級(jí)濾波[3](robust gausssian regression filter 2nd degree)的對(duì)比結(jié)果如圖7.

圖7高斯濾波和羅伯特高斯回歸二級(jí)濾波對(duì)比示意圖

從上圖可以看出，羅伯特高斯回歸二級(jí)濾波更加平滑，避開了劃痕對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。當(dāng)然，具體采用何種濾波方式更加滿足零件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)量的要求也是在一個(gè)逐步研究中和認(rèn)識(shí)過程當(dāng)中。

2.9 測(cè)量系統(tǒng)本身的對(duì)粗糙度測(cè)量誤差的影響

如前面所述，傳感器是粗糙度輪廓儀的核心部件之一，其對(duì)粗糙度測(cè)量結(jié)果有直接的影響。在計(jì)量室測(cè)量曲軸粗糙度時(shí)曾發(fā)生這樣的事情：某天早上發(fā)現(xiàn)拋光工序送檢的曲軸9個(gè)軸頸粗糙度全部超差，而且部分?jǐn)?shù)值超公差2倍以上。經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)前一天加工的工件粗糙度還是全部合格的，拋光工藝、參數(shù)已經(jīng)拋光帶均沒有任何改變。從測(cè)量操作員的交談中得知，前天晚上剛剛更換了新的傳感器，所以立即換回舊的傳感器進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，結(jié)果粗糙度合格。

另一個(gè)比較困擾的問題見下圖8，在測(cè)量輸出的圖形中發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)凸起的波峰。該凸起是獨(dú)立的，出現(xiàn)的位置也不固定，隨機(jī)出現(xiàn)，沒有任何規(guī)律。從圖形上看，該凸起高度在1~2μm左右，寬度在10μm左右。這是一個(gè)理論上很難解釋的現(xiàn)象，一般來說，拋光后的軸頸表面出現(xiàn)下凹的波谷是合理的，且拋光機(jī)有震蕩功能，凸起的波峰很容易削平。從輸出的粗糙度數(shù)值結(jié)果來看，由于Ra計(jì)算的是算術(shù)平均值，這就意味凸起的波峰（正值）和凹下的波谷（負(fù)值）進(jìn)行相加，粗糙度反而是好的。也就是說，光看Ra的粗糙度數(shù)據(jù)而不看圖形的話，根本不能反映出零件表面粗糙度的真實(shí)狀況。至于為何出現(xiàn)比較離譜的波峰，一個(gè)的可能的原因是觸針在零件表面劃動(dòng)的過程中發(fā)生了突跳或者抖動(dòng)，也可能是測(cè)量系統(tǒng)濾波的問題或者零件表面清潔不干凈導(dǎo)致的，有待進(jìn)一步分析和研究。

圖8測(cè)量異常點(diǎn)示意圖

3 結(jié)束語

本文分析了測(cè)量方向、角度、部位、位置、材料特性、濾波、測(cè)量系統(tǒng)等因素對(duì)曲軸粗糙度測(cè)量誤差的影響。通過分析可以看出，粗糙度測(cè)量是一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作，任何微小失誤都可能造成測(cè)量結(jié)果超差。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)該對(duì)測(cè)量操作人員建立一個(gè)必要的標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)范，減少人為因素造成的測(cè)量誤差對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的影響。另外，現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員在碰到類似曲軸粗糙度超差的問題，首先要確認(rèn)測(cè)量結(jié)果的有效性和真實(shí)性，逐一排查造成測(cè)量誤差的影響因素，避免盲目調(diào)整工藝和機(jī)床造成的產(chǎn)量損失和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，以提高問題解決的效率。

[1]周富臣，周鵬飛，張 漢編.機(jī)械制造計(jì)量檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]SO 11562 1996，Geometrical Product surface Texture:Profile method Metrological characteristics of phase correct filters[S].