缸套表面結(jié)構(gòu)的功能性參數(shù)研究

劉閃閃，王生懷，曾文涵

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

缸套表面結(jié)構(gòu)的功能性參數(shù)研究

劉閃閃，王生懷，曾文涵

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

用白光干涉儀對珩磨缸套表面進行測量，采用概率支撐率曲線來表征缸套這種具有復(fù)合加工特征的表面，指出利用紋理成分來檢驗及識別加工工藝。最后以二維Rq系列參數(shù)為紐帶，建立三維功能參數(shù)與二維Rq系列參數(shù)的相關(guān)聯(lián)系，用S系列三維功能參數(shù)來表征缸套的表面結(jié)構(gòu)。

珩磨表面；白光干涉儀；紋理成分；三維功能參數(shù)

發(fā)動機缸套表面微觀形貌能夠體現(xiàn)其表面的微觀幾何特性，并且與零部件的功能特性息息相關(guān)。因此為滿足缸套的功能要求，往往要設(shè)計和加工成特定的表面形貌結(jié)構(gòu)［1］。在發(fā)動機運行過程中，活塞環(huán)對缸套施加力的作用，在其表面產(chǎn)生摩擦，在整個摩擦系統(tǒng)中，潤滑劑以油膜的形式存在于相互摩擦的2個零件之間。因此作為承受載荷的缸套表面要具備支撐和潤滑特性，為達到此性能要求通常采用平臺珩磨技術(shù)，粗珩主要是形成正確的幾何形狀，如圓柱型孔和適合后續(xù)加工的表面粗糙度以及適合容納潤滑油和磨屑的紋理，半精珩過后形成均勻的交叉網(wǎng)紋，平臺珩去除精珩產(chǎn)生的波峰，在孔的內(nèi)壁形成微小的支撐平臺。平臺珩磨可以使缸套很快進入正常工作期，因而跑合時間大大地縮短，提高了其使用壽命和性能要求［2］。

定量的評定缸套平臺珩磨表面形貌的功能屬性和加工出符合功能要求的表面形貌結(jié)構(gòu)成為研究的重點內(nèi)容。發(fā)動機缸孔表面屬于復(fù)合加工特征的表面，在加工中不同的紋理具有各自的功能屬性。例如形成的峰頂區(qū)、核心區(qū)和谷底區(qū)分別與發(fā)動機缸套的磨合、工作壽命和潤滑性能一一對應(yīng)。

在評定珩磨缸孔的眾多理論中，Abbott-Firestone輪廓支撐長度率曲線得到了最廣泛的應(yīng)用，Mark C.和Malburg.Ph.D.對氣缸內(nèi)孔的表面形貌在紋理上做出了分析，并對ISO13565中定義的功能性參數(shù)的評定方法進行了說明，同時也給出了測量缸孔表面的測量原理和方法［3］；B.Muralikrishnan和J.Raja對各種濾波方法加以比較，針對缸孔等復(fù)合加工表面提出了使用形態(tài)學(xué)濾波器進行濾波，并且通過實驗進行驗證，得到較好的濾波效果［4］；Abbott—Firestone曲線的兩段線性模型由Trautwein提出，并且從這個模型中還引伸出一個稱為液體滯留容積的參數(shù)。后來，又有學(xué)者把Abbott—Firestone曲線分成3個區(qū)域：2%～25%的支承長度范圍內(nèi)的高度差被定義為峰頂區(qū),相應(yīng)地25%～75%的支承長度范圍內(nèi)和75%～98%的支承長度范圍內(nèi)的高度差分別被定義為中間區(qū)域和谷底區(qū)。由此獲得3個Rk系列參數(shù)，并應(yīng)用于缸套表面的功能評定。

本文中基于ISO 13565線性化的支撐率曲線和概率支撐率曲線來描述珩磨加工的表面特征，從而對缸孔表面的功能性參數(shù)進行研究。線性化的支撐率曲線描述了隨著粗糙度輪廓的深度的增加而引起表面材料部分的增加，且對紋理成分的功能進行定量的評定，而概率支撐率曲線可以識別不同的紋理成分。對Abbott-Firestone曲線進行重新劃分，并引入了表面承載指數(shù)、核心區(qū)液體滯留指數(shù)和谷底液體滯留指數(shù)3個指標(biāo)分別評價表面承載性能和儲油性能。

1 缸套表面形貌的功能評定

在實際的工程應(yīng)用中，許多零件表面需要具有特定的功能特性。正是基于發(fā)動機缸孔所要滿足的支撐性能、密封性和潤滑油滯留性能，缸套就必須被設(shè)計、處理成特定的形貌以滿足預(yù)期的應(yīng)用。所以有必要定義特定的功能參數(shù)來有效地表征其表面的特殊屬性，這些屬性和該零件特定的工程應(yīng)用又是緊密聯(lián)系在一起的，也就是說一系列功能參數(shù)集能夠描述一定數(shù)量的功能應(yīng)用。

概率支撐率曲線可以識別平臺珩磨缸套復(fù)合加工表面的不同紋理成分，即粗珩紋理和精珩紋理，它們的摩擦性能差別很大。在評定缸套表面形貌的功能屬性時，應(yīng)首先用概率支撐率曲線表征表面結(jié)構(gòu)精度的高度特性。

1.1 高度特性的表征

傳統(tǒng)的表面粗糙度參數(shù)，如輪廓最大高度Rz、輪廓的算術(shù)平均偏差Ra和輪廓單元的平均寬度Rsm等，不能夠識別不同的加工紋理，不適合表征復(fù)合加工表面的形貌［5］。概率支撐率曲線的線性區(qū)域確定參數(shù)的評價方法，適用于評定表面形貌的高度特征即表面摩擦特性及控制制造過程。

概率支撐率曲線是支撐率曲線的一種表示方法。它用高斯概率形式表示輪廓支撐率。縱坐標(biāo)是輪廓高度（或其標(biāo)準(zhǔn)偏差s），橫坐標(biāo)是輪廓高度值出現(xiàn)的概率，如圖1中原始輪廓高度值的標(biāo)準(zhǔn)高斯分布，缸套內(nèi)孔復(fù)合加工紋理是2個高斯或近高斯紋理組合的結(jié)果。因此，首先將復(fù)合加工過程的各獨立特性成分作為高斯波形進行建模。

圖1 原始輪廓高度值的標(biāo)準(zhǔn)高斯分布

正態(tài)分布（高斯）的數(shù)據(jù)是用平均值m和標(biāo)準(zhǔn)偏差s表征。在工程應(yīng)用中樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差為

式（1）與Rq系列參數(shù)的計算非常相似：

當(dāng)數(shù)值中n較大時，Rq近似于s。進一步思考是否可用Rq系列參數(shù)來表征缸套內(nèi)孔的表面形貌。

1.2 缸套復(fù)合加工表面輪廓

對于發(fā)動機缸套珩磨加工的特征的表面，其輪廓高度是2個高斯分布的合成，如圖2所示。兩者的分散程度不一樣，所以其概率支撐率曲線的傾斜程度不同，可以看出，圖2中粗加工直線較陡，精細加工的直線較緩。對于平臺珩磨缸套表面，其同一表面先后采用粗珩和精珩的復(fù)合加工后，粗珩輪廓的峰部被去除而代之以精珩的輪廓，所以缸套表面的概率支撐率曲線是圖2中2條直線的合成，也就是說，可以用概率曲線研究分層表面的跑合過程，概率曲線呈現(xiàn)2個線性區(qū)，頂部線性區(qū)表示精珩紋理，底部線性區(qū)表示粗珩紋理。發(fā)動機缸套的加工包含多個過程，可以用概率支承率曲線來描述。

圖2 粗精加工表面的概率支承率曲線

1.3 缸套珩磨的概率曲線

Wiliamson首先提出用概率支撐率曲線來研究具有多個紋理成分表面的磨損運行過程。在缸套復(fù)合加工表面上測量的表面數(shù)據(jù)中所存在3個非線性效應(yīng)，能夠在支撐率曲線中表現(xiàn)出來。這些效應(yīng)將通過對支撐率曲線進行擬合而排除，通過使用支撐率曲線中穩(wěn)定的高斯部分可以排除許多不確定性的影響。重復(fù)測量缸套內(nèi)孔的表面形貌，能夠使參數(shù)的測量值更加穩(wěn)定［6］。圖3為缸套平臺珩磨表面形貌的概率曲線。

圖3 缸套平臺珩磨表面形貌的概率曲線

圖3 是通過初始二次曲線擬合得到的，是由2個隨機成分組成的表面的概率支撐率曲線的期望形式的最佳逼近。該初始二次曲線擬合為在概率支撐率曲線上運算提供了基本框架。在整條概率支撐率曲線上擬合的二次曲線：

式中：z為縱坐標(biāo)，表示輪廓高度，μm；x為橫坐標(biāo)，表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖3中谷區(qū)部分線性回歸的斜率Rvq和塬區(qū)部分線性回歸的斜率Rpq分別為二次曲線的漸近線。缸套平臺珩磨的高度表征參數(shù)Rmq即塬區(qū)與谷區(qū)交界處的支撐率，把概率曲線分為平臺區(qū)和谷區(qū)，這樣3個獨立的參數(shù)代表3個不同的功能區(qū)分別對應(yīng)著表面的跑合、支承和流體滯留性能。

2 缸套珩磨三維形貌

圖4 是缸套珩磨表面的三維形貌和其支承長度率曲線，從圖4 a中可看出其具有較平緩的峰頂和明顯的溝槽，有較好的支撐性能及液體滯留性能。這一點也可從圖4 b上顯現(xiàn)出來，看到曲線中間部分的負(fù)曲率較小而最后一部分又具有較大的空隙面積。不同加工方法形成的不同紋理表面的液體滯留性能好壞與材料的接觸面積有很大的關(guān)系，因此有必要引入一個更好的功能特征化方法。

圖4 缸套珩磨表面三維形貌和其支承長度率曲線

在圖4 b上5%支撐長度處和80%支撐長度處畫一條平行線，分別用h0.05和h0.8表示。由此曲線劃分成了3個區(qū)域，這和DIN 4776標(biāo)準(zhǔn)中的對應(yīng)內(nèi)容是相似的，即峰頂區(qū)、核心區(qū)和谷底區(qū)。每個區(qū)域中單位長度上的材料面積實際上就是由表面曲線和該區(qū)域上的平行線所圍成的面積，而單位長度上的空隙面積則是由該區(qū)域頂部位置的那條平行線和曲線所圍成的面積［7］。由此定義可以看出：珩磨表面的核心區(qū)單位長度空隙面積較小，而谷底區(qū)的單位長度空隙面積較大，這正符合發(fā)動機缸套支撐特性和液體滯留性能。

2.1 三維功能性參數(shù)

表面支承指數(shù)Sbi用來指示表面的支承特性。此處的表面支承指數(shù)是均方根偏差和5%支承長度處的表面輪廓高度的比值，即

式中：η0.05為輪廓支承長度5%處的輪廓高度；h0.05為對應(yīng)η0.05的標(biāo)準(zhǔn)高度；Sq為表面均方根偏差，其幾何特性為取樣區(qū)域內(nèi)實際表面到基準(zhǔn)面的均方根值。在微觀表面統(tǒng)計領(lǐng)域內(nèi)，表面均方根偏差是一個經(jīng)常使用的參數(shù)。表面支承指數(shù)Sbi越大表明該表面的支承性能越好。高斯表面的表面支承指數(shù)大約是0.608，由標(biāo)準(zhǔn)高斯分布曲線計算獲得。對于輪廓峰頂變化緩慢的珩磨表面，其表面支承指數(shù)正常情況要比0.608大。缸套在磨合和正常運行過程中，這個指數(shù)將相應(yīng)地增加。一般情況下，對于大多數(shù)工程表面其支承指數(shù)在0.3～2之間。

核心區(qū)液體滯留指數(shù)Sci，該指數(shù)是核心區(qū)單位長度的空隙面積和均方根偏差的比值，其是來衡量缸套表面核心區(qū)的液體滯留性能的，定義為

式中：Av(h0.05)為輪廓支承長度5%處的空隙面積；Av(h0.8)為輪廓支承長度80%處的空隙面積；M為沿輪廓方向的離散點的個數(shù)；Δx為離散點的間距。同樣，缸套表面的液體滯留性能與Sci的大小成正比。通過對高斯表面的標(biāo)準(zhǔn)高斯分布曲線的計算可知Sci大約是1.56，而珩磨表面Sci值比該值要小。

谷底液體滯留指數(shù)Svi，用來衡量表面谷底區(qū)的液體滯留特性，由標(biāo)準(zhǔn)高斯分布曲線得到的值大約為0.11，因為缸套表面要有足夠的液體潤滑，所以其Svi值要大于0.11。在缸套的工作壽命期內(nèi)Svi值相對來說是很穩(wěn)定的。

這種方法是把支撐長度率曲線分成峰頂區(qū)、核心區(qū)和谷底區(qū)3個部分來進一步研究，這3個區(qū)域的劃分都是基于實際工程表面的功能特性。由此可知，峰頂區(qū)材料面積、核心空隙面積和谷底空隙面積3個功能參數(shù)可以表征珩磨缸套表面的跑合、支承和流體滯留性能。

2.2 三維功能性參數(shù)與Rq系列參數(shù)的關(guān)系

對平臺珩磨后的缸套進行線切割，用白光干涉測量儀測量切割后的20mm×20mm缸套內(nèi)表面，白光干涉儀測量缸套表面形貌如圖5所示，所得測量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 白光干涉儀測量缸套表面形貌

表1 多組缸套內(nèi)孔表面形貌參數(shù)測量

圖6 功能參數(shù)曲線圖

對表1中數(shù)值進行線性分析，可以得到功能參數(shù)曲線圖（圖6）。由圖6 a可見，Rpq在一定范圍內(nèi)，Sbi與Rpq幾乎成線性關(guān)系，隨著Rpq繼續(xù)增大，開始出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點，峰頂區(qū)材料減小，表面支撐性能下降。因為對于發(fā)動機缸套這種高機械應(yīng)力表面，Sbi通常會大于圖6 a中拐點值，由標(biāo)準(zhǔn)高斯分布曲線計算的拐點值為0.3，而絕大多數(shù)的工程表面支承指數(shù)會大于該拐點值，高機械強度表面Sbi是很穩(wěn)定的，當(dāng)Sbi在一微小范圍內(nèi)波動時，可以用近似線性化的直線來表示，因此可以用Sbi參數(shù)來表達二維Rpq參數(shù)。圖6 b給出了三維功能參數(shù)Svi隨著Rvq的變化情況。對于發(fā)動機缸套表面要有足夠的液體潤滑Svi的值通常會很大，由于經(jīng)過平臺珩磨的發(fā)動機缸套，其跑合時間比較短甚至直接進入工作壽命期，而Svi在缸套的工作壽命期內(nèi)其值是很穩(wěn)定的，也就是說Svi的變化很小，Svi與Rvq也成線性關(guān)系，同樣可以用三維參數(shù)谷底液體滯留指數(shù)Svi來表征二維參數(shù)Rvq。

3 總結(jié)

本文中基于概率支撐率曲線和支承長度率曲線，研究多種加工工藝疊加而形成的平臺珩磨缸套表面的功能評定。對于描述多種不同加工過程形成的多尺度表面形貌的功能特性，三維功能性參數(shù)評定的應(yīng)用更為優(yōu)越。三維功能參數(shù)和二維功能參數(shù)都是基于支撐長度率曲線，通過分段來描述測量區(qū)域，三維功能參數(shù)是對摩擦磨損性能、表面支承性能以及潤滑性能的評定，它和Rq系列二維功能參數(shù)有密切的相關(guān)性和延續(xù)性。三維功能參數(shù)能夠彌補二維功能參數(shù)的理論缺陷，二維功能參數(shù)中由等效線確定的2個臨界點支持率即三維支撐面積5%和80%確定值，其正適合發(fā)動機缸套這種高機械應(yīng)力表面。三維參數(shù)對應(yīng)一定面積的區(qū)域上的特征，改變原二維參數(shù)統(tǒng)計性差以及測量值存在較大偏差的不足，更接近真實表面。

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Study on Functional Parametersof Cylinder Liner Surface Structure

Liu Shanshan,Wang Shenghuai,ZengWenhan

（SchoolofMechanical Engineering,HubeiUniversity ofAutomotive Technology,Shiyan 442002,China）

The honing cylinder liner surface wasmeasured by the white light interferometer and this type of linerwith the surface of the compositemachining featureswas characterized by the probability support rate curve,the processwas tested and identified by using the texture component.Finally,based on 2D Rq seriesofparameters,the correlation between 3D functionalparametersand 2D Rq seriesofparameterswas established,and the surface structure of the cylinder linerwas characterized by using S seriesof3D functionalparameters.

honing surface;white light interferometer;texture component;3D functionalparameter

TG84

：A

：1008-5483（2017）01-0059-05

2016-08-19

國家自然科學(xué)基金項目（51475150，51275159）；湖北省自然科學(xué)基金項目（2013CFB045）；

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目（D20141802）

劉閃閃（1990-），男，河南商丘人，碩士生，從事精密儀器測量方面的研究。E-mail：1105841409@qq.com

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.01.014