汽車用薄鋼板表面波紋度測量技術研究

摘要：通過對試驗室A和試驗室B開展汽車薄鋼板表面波紋度（Wa）的比對試驗，分析了采用不同測量儀器對同一試樣測得的數據出現較大差別的現象，得出其原因：①鋼板表面各處Wa的不均勻性；②測針錐形尖端曲率半徑和圓錐的坡形角度不同；③設備使用導頭基準與獨立直線基準不同；④采用剪板機剪切的試樣平面度公差難以保證。要使檢測數據具有相互參考價值，應該通過采用統一測量條件設置和融合試驗室A方形試樣、尺寸便于區分軋向以及試驗室B沖壓方式取樣平整的優點來制訂新標準。

關鍵詞：汽車薄鋼板；表面波紋度；試驗；試樣；標準差；標準

中圖分類號：TG84 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）04-0077-06

Research on the Automobile Sheet Steel Surface Waviness Measurement Technique

LUO Wu-si

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Shiyan 442001，China）

Abstract: Through the comparison test in the automotive sheet steel surface waviness（Wa）under the conditions of laboratory A and B，analyzing the large data differences of the same specimen measured by different instruments，reached the following reasons: ①The uneven nature of sheet steel surface Wa around；②The differences between measuring needle cone tip radius of curvature and the cone angle of the slope shape；③The differences between the head benchmark guide used by devices and the straight-line benchmark independent；④The difficulty in guaranteeing the flatness tolerance of the specimens sheared by the cutting board machine. In order to get mutual reference value of the test data，new standards can be made on the conditions:setting unified measurement conditions integrating the merits that the square specimens and size easily to distinguish rolling direction in laboratory A and smoothy specimens stamped in laboratory B.

Key words：steel sheet for automobile；surface waviness；testing；specimen；standard deviation；standard

表面波紋度是評價汽車面板彎曲不平表面不平度的一個指標，是介于宏觀幾何形狀誤差和微觀表面粗糙度之間的一種表面形貌誤差。Wa值過大會影響接觸精度，對沖壓成形性能有很大影響，也直接影響汽車面板的涂裝性能和涂漆后的光澤度和鮮映性。Wa是由軋輥的形狀誤差及軋機振動造成的汽車板周期性波浪型偏差，即表面輪廓長波成分組合的大小。可理解為在一個取樣長度L內，檢測時直接獲得的實際表面斷面曲線經過濾波所得曲線 g（x）偏離最小二乘中心線的平均距離，單位：μm，定義式:

1 表面波紋度試驗準備

1.1 測量Wa的試樣尺寸和位置圖

圖1（a）是試驗室A測量鋼板Wa采用的正方形試樣尺寸和測量位置圖。注意按圖1（a）軋制方向放置時，在試樣右上角標明樣品編號。采用剪板機剪切方式獲得的試樣品質受剪板機精度和操作人員的影響較大，試樣邊緣部分易產生翹曲現象，要注意保證裁剪試樣的平面度公差。試驗室A既關心鋼板直角方向，也關心壓延方向的波紋度對沖壓的影響，所以上、下表面各測量6次。

圖1（b）是試驗室B采用直徑為50 mm的圓形沖壓片試樣圖。優點是取樣方便，缺點是評價長度小于100×100 mm方形試樣，不便于標記樣品編號和軋制方向。試驗室B只測量每面直角方向的3次Wa。

試驗室A所在的汽車廠是薄鋼板的大用戶之一，Wa是其關心的指標。要使檢測數據相互認可，除了統一設備測量條件設置外，還需要融合試驗室A的方形試樣及尺寸便于測量時區分軋向和試驗室B的沖壓方式取樣平整的優點制訂新標準。

1.2 測量設備及條件設置

測量Wa采用三豐SV-3000 S4表面粗糙度測量設備。測針的錐形尖端曲率半徑2 μm；圓錐的坡形角度60°；測針在平均位置上的微測力0.75 mN。測量條件設置：測量長度48 mm；試驗速度0.2 mm/s；取點的間距5 μm。評價條件選擇為：標準JIS2001；評價曲線種類W_J01；取樣長度8 mm；取樣區間數5；截止波長0.8～8.0 mm；濾波類型Gaussian；評價長度40 mm；加速段4 mm；減速段4 mm。試驗室A采用長一些的40 mm評價長度可以更準確地反映鋼板表面的自然波浪特征。

2 汽車板Wa不均勻性分析

2.1 同一位置連續采集數據分析

2.1.1Wa試驗數據采集

表1是采用相同測量條件，在同一件牌號1，厚度0.7 mm（以下表格中未注明的材料牌號均選用牌號1）的方形試樣12個部位保持測針與試樣位置不動，對每一個位置連續測量12次Wa數據表。最后一列顯示對應每一個位置檢測的每一行Wa平均值都不相同，相互之間最大差值0.112 μm，表明Wa具有各處不均勻性。因此做比對試驗時，要考慮雙方的測針尖端放置的位置不可能完全重合從而對測試數據帶來的影響。從最后一列看，壓延方向的Wa大于直角方向，屬于大多數范疇。表中最后一行顯示的每一列12個測量數據的平均值相互之間的最大差值僅為0.003 μm，說明每一列的平均值重現性好。

2.1.2 Wa數據的標準差分析

對同一被測量作n次測量，表征測量結果分散性的量可按下式算出:

表1中各行Wa的極差（單位：μm）依次為：（1）0.005、（2）0.006、（3）0.007、（4）0.005、（5）0.004、（6）0.009、（7）0.006、（8）0.011、（9）0.004、（10）0.009、（11）0.002、（12）0.004。表明即使在同一位置保持測針和試樣位置不動進行連續測量，也會產生0.002～0.011 μm不可避免的正常波動。說明在Wa比對試驗中存在一定的差異屬正常現象。以差值最大的第8行為例，其12個數據的算術平均值為0.379 μm。可作為測量位置8的Wa約定真值，則每次獨立測量的殘差（單位：μm）依次為：（1）v=-0.003；（2）-0.004；（3）-0.004；（4）-0.003；（5）-0.003；（6）-0.004；（7）-0.001；（8）0.002；（9）0.005；（10）0.006；（11）0.005；（12）0.007。最大殘差為0.007 μm，小于三倍標準差（3σ=0.012 μm），表明這行數據是集中的。同時（0.007/0.379）×100%=1.85%，小于設備的校準示值誤差≤±3%，表明測量設備的精度符合要求。

2.2 相鄰區域重復測量Wa波動分析

2.2.1 Wa試驗數據采集

表2是用同一臺測量設備，同一只測針，在相同測量條件下對同一件試樣12個位置，隔1天測量一次（列），共12天的Wa數據對照表，考核測針在各次測量中相同區域內位置微小變化時測量數據的波動。表2中測量位置1～3、4～6、7～9和10～12依次是試樣上表面壓延、直角方向和下表面壓延、直角方向的Wa測量數據。

2.2.2 試驗結果直觀分析

圖2是由表2第14列不同位置Wa平均值畫出的直方圖。由圖可見壓延方向數據較分散；直角方向Wa較齊，且同一面壓延方向的Wa值大于直角方向。直方柱高低不齊說明各個位置Wa分布具有不均勻性，相互之間最大差值0.116 μm。最后一列顯示，每一行12次測量結果相互之間的最大差值在0.037～0.073 μm之間，其中有6行≥0.050 μm，說明檢測Wa時，即使是相鄰位置有較大波動也屬客觀存在的現象。

2.2.3 Wa數據的標準差分析

表2每一行Wa的標準差（單位：μm）依次為：（1）S=0.012；（2）0.013；（3）0.014；（4）0.016；（5）0.018；（6）0.012；（7）0.016；（8）0.015；（9）0.022；（10）0.018；（11）0.016；（12）0.017。以最后一列差值最大的第9行為例，其12個數據的平均值為0.398 μm。可作為測量位置9的Wa約定真值。則每一次測量的殘差（單位：μm）依次為：（1）v=0.010；（2）-0.024；（3）-0.015；（4）0.006；（5）-0.017；（6）0.013；（7）-0.018；（8）0.026；（9）0.019；（10）-0.036；（11）0.037；（12）-0.005。比表1對應數據大，這是由于相同區域內位置微小變化造成的。最大殘差為0.037 μm，小于三倍標準差（3σ=0.060 μm），說明這行測量數據是有效的。

表2中不同時間測量的每一行相鄰位置Wa差別較大表明：進行Wa比對試驗時，即使雙方都有相同的測量Wa試樣位置圖，指定了落針點，也不能保證測量時測針落在同一試樣的具體位置和走針路線完全重合。

表2第15行是12天測量同一試樣各次的Wa平均值，相互最大差值為0.011 μm。最后一行顯示各次12個位置之間的波動范圍為0.107～0.166 μm，數值都偏大，再次證明了2.1節指出的汽車板表面各個位置Wa分布具有不均勻性。

2.2.4 驗證Wa是否需要補償修正

在與國外某試驗室進行Wa比對試驗時，出現數據相差較大現象，按要求進行了圓弧補償修正。步驟為：①在測量軟件SURFPAK-SV Version 1.500主界面中調出波紋曲線；②在菜單欄中選擇Edit/Data Processing Wizard…，彈出向導對話框；③在對話框中單擊Data Compensation Setup按鈕，彈出Set Data Compensation對話框；④在設置對話框的組合框中選擇R-Curve（Auto），在Applying Range Group Box框中選擇All單選鈕；⑤單擊Try按鈕，得到Radian值和Applying Error值；⑥單擊Ok按鈕，在主界面參數結果欄得到修正值。

表2上表面壓延方向位置1修正結果（單位：μm）為：（1）0.387；（2）0.389；（3）0.375；（4）0.403；（5）0.366；（6）0.401；（7）0.392；（8）0.395；（9）0.398；（10）0.407；（11）0.393；（12）0.405。有2個沒變化、10個減小，變化范圍：0～0.023 μm，小于測量列中因測量位置微小差異而引起的最大波動值0.037 μm 。序號5修正前后最大變化差值的相對誤差：（0.023/0.389）×100%=5.91%。直角方向位置1修正結果（單位：μm）為：（1）0.314；（2）0.335；（3）0.312；（4）0.273；（5）0.311；（6）0.316；（7）0.313；（8）0.309；（9）0.306；（10）0.291；（11）0.327；（12）0.295。有5個沒變化、6個增加，1個減小，變化范圍：-0.003～0.002 μm，小于測量列的最大波動值0.061 μm。序號5修正前后最大變化差值的相對誤差：（0.003/0.308）×100%=0.97%。二組修正值的最大變化差值為0.023 μm，處在設備允許的小數點后第2位誤差范圍內。

2.3 汽車板Wa值分布介紹

表3介紹了比對試驗采用的14個牌號汽車板Wa平均值分布情況。最后一行平均值顯示Wa分散在0.236～0.604 μm范圍內，滿足要求高的場合選擇Wa＜0.6 μm；要求寬一些的場合可選Wa＜1.0 μm的標準。

試樣本身平整時，測量一次通過，且相同面、相同軋向的數據比較一致。如試樣不平整，則需要移動試樣調整測針起始位置，選擇平整的位置測量幾遍，尤其是壓延方向。如3號汽車板上、下表面壓延方向按測量Wa試樣位置圖測量Wa值偏大，向右移動3 mm，Wa值明顯減小，檢查發現試樣邊部翹曲，原因除了有鋼板本身品質外，還有可能是下樣問題。通過10號板的采集曲線彎曲變化證明Wa值雖不大，肉眼也看不出不平，但從曲線有規律變化看，可能是軋機震顫造成的品質不高。測量11號板Wa時，如果找平線呈圓弧形，則Wa值大；呈直線或斜線，則Wa值不大，這些現象都是造成有觀點認為Wa不好測量和應用的緣由。7號板下表面圧延方向、11號板上表面壓延和直角方向的Wa值都需要注意。

3 不同設備測量Wa的比對分析

表4是采用2個品牌、5個型號Wa測量設備在相同參數設置條件下測量同一件試樣相同區域的Wa比對試驗數據表，最后一列顯示Wa之間最大差值是比較大的。下面運用t檢驗對比對試驗數據進行一致性分析。

對表4第6和7列比對數據進行t檢驗：通過應用軟件計算得t值為0.900，查t分布表得相應的高臨界值為1.717，低臨界值2.510。由于t=0.900＜1.717；t=0.900＜2.510，所以確認這兩臺設備檢測數據均值之間無顯著差異。

表4第6和8列數據的t檢驗值0.378，小于高、低臨界值，一致性檢驗結論為高度顯著。

表4第6和9列數據的t檢驗值3.927，大于高、低臨界值，說明這兩臺設備的檢測數據存在系統誤差，一致性檢驗結論為不顯著。原因是測量第9列數據采用的設備型號為MitutoyoFORMTRACERCS-5000L，所配測針的錐形尖端曲率半徑為5 μm，圓錐的坡形角度90°，與第6列采用的設備型號MitutoyoSurftest SV-3000 S4，所配測針尖端半徑2 μm，圓錐的坡形角度60°不同。尖端半徑和坡形角度小的測針適應進入表面起伏非常細微的波谷最深處，可以準確地采集到實際輪廓狀態的斷面曲線，如表4第6和9列最后一行最大差值分別為0.115 μm和0.064 μm，反映有如下情況：2 μm的測針精度高，引起的測量數據變化大；5 μm的測針精度低，測量數據變化小。

表4第6和10列數據的t檢驗值為4.832，大于高、低臨界值，一致性檢驗為不顯著。原因是與測量第10列數據采用的型號為ACCRETECHSURFCOM 130A的設備測桿上采用導頭作相對測量基準有關系，其錐形測頭到導頭的間隔直接影響獲得真實的斷面曲線信號，分析結果偏小。

4 不同測量條件設置對比分析

1.2節內容是試驗室A檢測Wa時設備的測量條件設置，與試驗室B的設置有些不同，差別是：①試驗室B的評價長度為25 mm（按取樣區間數為5計算，取樣長度5 mm）；②試驗速度：0.6 mm/s。表5是在同一臺SV-3000 S4測量設備上，采用12輪，每輪循環更換4次試驗室A和試驗室B的不同測量條件設置，同時保持測針與試樣位置不變，對同一件試樣相同的12個位置進行Wa檢測數據表。

表5按評價長度為40 mm和25 mm，試驗速度為0.2 mm/s和0.5 mm/s組合成4種情況做對比試驗。試驗室B采用0.6 mm/s的速度是為了適應鋼廠每天要測50件試樣的大批量出廠檢驗要求。三豐的設備速度沒有0.6 mm/s這一檔，故選擇0.5 mm/s。從最下一行試驗結果的平均值可見：第4與6列、第8與10列數據表明測量汽車板試樣的同一位置，在其他測量條件設置都相同，僅速度不同時，Wa測量值接近相等，說明試驗速度對測量值的影響較小。

從最后一列平均值的最大差值看：當評價長度不同時，上、下表面壓延方向Wa的差值是較大的。如上表面壓延方向Wa平均值的最大相對誤差為：［（0.399-0.356）/ 0.399］×100%=10.78%；直角方向的差值較小。表明在試驗室A和試驗室B的設備測量條件設置下所檢測出的數據相互之間還不具有直接可采用的價值，需要各自應用自己的標準進行測量。要達到雙方檢測數據通用的目的，需要通過采用統一的測量條件設置和試樣標準來實現。

5 結論

（1）試驗數據顯示：不同位置Wa的不均勻分布特性，有助于理解比對試驗中各方因測針落針點和走針路線不能完全重合所出現的數據相差較大現象，確認檢測報告的質量。

（2）試驗室B只測量直角方向的Wa，而試驗室A對直角和壓延方向的Wa對沖壓的影響都關心，因為鋼板表面形貌呈現明顯的各向異性特征。要使檢測數據實現相互認可，除了統一設備測量條件設置外，還需要統一試樣形狀、尺寸和下樣方式。

參考文獻：

［1］ 丁志華，王緒柱.表面波紋度幾何特征的分析［J］. 太原理工大學學報，1988（2）：12-20.

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