多尺度表面形貌的功能評定與控制

胡兆穩 劉小君 王 靜 劉 焜

合肥工業大學,合肥,230009

0 引言

工程表面通常被設計和加工成特定的表面形貌結構,以滿足不同的功能要求。為改善內燃機氣缸套表面的支承和潤滑性能,通常采用平臺珩磨技術,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紋結構。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,平臺珩磨缸套表面大大地縮短了跑合時間,提高了發動機的性能[1]。如何定量評定平臺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構,成為當下研究的重點。

傳統的表面形貌粗糙度參數很少與功能相聯系,因此,有必要提出專門的描述功能屬性的參數。

表面形貌結構上不同高度部分有不同的功能屬性,如頂部與跑合有關,谷區影響潤滑油的滯留性能,中心區對應于工件在工作壽命期的磨損。因此,現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(或功能區),以每個區的高度、面積或體積參數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行功能分析[2],Trautwein提出了支承率曲線的兩段線性模型,導出了潤滑油滯留體積參數,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,將支承率曲線分成峰區、中心區和谷區,定義了三個功能參數,用于評定表面的支承和流體滯留性能,并應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行了研究。

德國標準DIN 4776[8]使用三層表面模型,定義Rk參數組,用三個區的高度參數描述具有分層屬性表面的跑合、支承和潤滑性能,該標準已成為ISO標準[9]。Nielsen發現Rk參數組可以用來監控珩磨加工[2]。ISO/TS CD 25178-2[10]將支承率曲線分成峰區、中心區和谷區,定義了V參數組,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值評定。

大多數工程表面都是由多個加工過程形成的多尺度表面,平臺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,關鍵是描述不同紋理成分的功能屬性。因此,應根據紋理成分的不同,將支承率曲線分成不同的功能區。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,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。利用概率曲線識別紋理成分,劃分表面形貌功能區范圍;再利用支承率曲線對紋理成分的功能進行數值評定。通過分析平臺珩磨缸套表面形貌的高度結構、功能和工藝之間的關系,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,通常是根據一定的算法,將支承率曲線劃分成不同的功能區,以每個區的高度、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性能,因此,在評定表面形貌的功能屬性時,應以兩種紋理成分的分界點位置來劃分功能區,為此,有必要定義合適的參數來表征表面形貌的高度結構,以識別不同的紋理成分。

1.1 表面形貌的高度表征

傳統的表面粗糙度參數,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,無法識別不同的紋理,不適合表征由多個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概率坐標紙上的表示,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。

由粗珩和精珩兩個高斯過程形成的平臺珩磨表面如圖1所示,其概率曲線呈現兩個線性區,見圖2。頂部的線性區對應精珩紋理,底部的線性區對應粗珩紋理。經過兩個線性區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,兩直線交點的橫坐標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位置都可以根據概率曲線確定。這種使用概率曲線的表面形貌高度表征方法已形成標準ISO13565-3[13],該標準定義三個表征參數 Rpq、Rvq和Rmq,通常Rvq/Rpq應大于等于5。

圖1 平臺珩磨缸套表面形貌

圖2 平臺珩磨表面形貌的概率曲線

1.2 表面形貌功能區劃分

平臺珩磨表面的高度表征參數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,將表面形貌劃分成平臺區和谷區。考慮到平臺區頂部的外凸峰對跑合性能的影響,以5%支承率為分界點,將平臺區劃分成峰頂區和中心區。中心區是支承率增長最快的部分。這樣,以5%支承率和Rmq為分界點,將平臺珩磨表面支承率曲線劃分成三個功能區,支承率0～5%為峰頂區,5%～Rmq為中心區,Rmq～100%為谷區,見圖3。三個功能區分別對應表面的跑合、支承和流體滯留性能。

1.3 表面功能評定參數

圖3 表面形貌功能區劃分

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

式中,tp(h)為表面形貌高度為h時的支承率;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時的表面形貌高度。

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

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

因此,峰頂區材料體積Vmp、中心區高度Hc和谷區空體積V vv三個功能參數可以分別表征平臺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

在實際工程中,如何加工出符合功能要求的平臺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構,表面形貌結構決定其功能屬性。在本部分內容中,通過分析表面形貌的高度結構、功能和加工工藝之間的關系,研究面向功能的平臺珩磨缸套表面形貌加工控制問題。

2.1 表面形貌結構與功能的關系

表面形貌的功能取決于其結構。表面形貌的功能參數隨高度參數的變化情況如圖4所示。

圖4 高度參數對功能參數的影響

由圖4a可見,當Rpq和Rvq保持不變時,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,峰頂區材料體積V mp變化不明顯,說明跑合性能變化不大;中心區高度Hc略有增大,但是由于中心區的范圍大幅增加,所以中心區材料支承率增大更快,支承性能顯著提高;谷區空體積Vvv值則大幅減小,流體滯留性能下降。因此,在設計缸套表面形貌時,應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給出了功能參數隨粗珩紋理粗糙度Rvq的變化情況。當Rpq和Rmq不變時,隨著Rvq增大,谷區空體積V vv和中心區高度H c都明顯增大,而峰頂區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流體滯留性能,但是表面支承性能會下降。

精珩紋理粗糙度Rpq對功能參數的影響見圖4c。當Rvq和Rmq不變時,隨著Rpq增大,谷區空體積V vv和峰頂區材料體積V mp無明顯變化,中心區高度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。

根據上述分析,設計工程師可以根據表面功能要求,設計出符合功能要求的缸套表面形貌結構,確定高度參數Rpq、Rvq和Rmq的值。我們已開發出相關設計程序,可以實現面向功能的缸套表面形貌設計。

2.2 表面形貌結構與加工工藝的關系

表面形貌的加工工藝決定其結構特征。平臺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構,關鍵是合理匹配兩道珩磨工序的工藝參數[14],如磨粒尺寸、珩磨壓力和時間等。如果能夠在兩道珩磨工藝參數和表面高度參數Rpq、Rvq和Rmq之間建立某種關聯,則可以通過控制兩道珩磨工藝參數的匹配,獲得符合功能要求的表面形貌結構。

Anderberg等[15]的研究表明,雖然改變兩道珩磨工藝參數的匹配,會對平臺珩磨缸套表面的高度參數Rpq、Rvq和Rmq產生影響,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間增大而減小,但是,很難在工藝參數與粗糙度參數之間建立系統性關聯。

Feng等[16]通過改變粗珩磨粒尺寸、精珩磨粒尺寸、粗珩時間、粗珩壓力、精珩時間、精珩壓力等珩磨工藝參數,研究平臺珩磨表面的ISO13565粗糙度參數和工藝參數之間的關系,并運用神經網絡原理,建立了一個由工藝參數預測粗糙度參數的經驗模型。實際上,很難為珩磨過程建立一個解析模型,將珩磨工藝和表面形貌結構聯系起來[16]以實現表面形貌控制。實際工程中,為了加工出符合功能要求的平臺珩磨表面形貌結構,可以以ISO13565-3參數為紐帶,建立能夠聯系表面功能與加工工藝的經驗模型。設計工程師可以根據表面功能要求,給出相應的表面形貌高度參數值;加工工程師根據現場加工設備和檢測條件,建立表面形貌高度參數Rpq、Rvq和Rmq與珩磨工藝參數之間的經驗關系,根據給定的表面形貌高度參數值制訂工藝規范,確定工藝參數,加工出符合功能要求的表面形貌結構,實現面向功能的表面質量控制。

3 結語

本文基于概率曲線和支承率曲線,研究由多個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粗糙度參數為紐帶,建立聯系表面功能與加工工藝的經驗模型,可以實現面向功能的表面形貌設計與控制。

由于支承率曲線只反映了表面形貌的高度結構,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構(如紋理類型、方向和連通性等)與功能之間的關系,下一步將對缸套表面形貌空間結構對功能屬性的影響作進一步研究。

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