多尺度表面形貌的功能评定与控制

胡兆稳 刘小君 王 静 刘 焜

合肥工业大学,合肥,230009

0 引言

工程表面通常被设计和加工成特定的表面形貌结构,以满足不同的功能要求。为改善内燃机气缸套表面的支承和润滑性能,通常采用平台珩磨技术,先粗珩再精珩,由精珩纹理在一定高度上截取粗珩纹理而形成交叉网纹结构。精珩纹理支承载荷,粗珩纹理容纳润滑油和磨屑。与普通珩磨表面相比,平台珩磨缸套表面大大地缩短了跑合时间,提高了发动机的性能[1]。如何定量评定平台珩磨表面形貌的功能属性,如何加工出符合功能要求的形貌结构,成为当下研究的重点。

传统的表面形貌粗糙度参数很少与功能相联系,因此,有必要提出专门的描述功能属性的参数。

表面形貌结构上不同高度部分有不同的功能属性,如顶部与跑合有关,谷区影响润滑油的滞留性能,中心区对应于工件在工作寿命期的磨损。因此,现有的表面形貌功能评定方法大都是使用支承率曲线,基于不同的算法,将支承率曲线分成不同的高度区(或功能区),以每个区的高度、面积或体积参数来表征表面形貌的跑合、支承和流体滞留等属性。

Abbott和Firestone最早使用轮廓支承率曲线对工程表面进行功能分析[2],Trautwein提出了支承率曲线的两段线性模型,导出了润滑油滞留体积参数,以此来表征缸套表面润滑性能[2]。Dong等[3-6]全面研究了三维表面形貌的表征,以5%和80%支承率为分界点,将支承率曲线分成峰区、中心区和谷区,定义了三个功能参数,用于评定表面的支承和流体滞留性能,并应用于缸套表面的功能评定。刘小君等[7]对表面形貌的功能评定进行了研究。

德国标准DIN 4776[8]使用三层表面模型,定义Rk参数组,用三个区的高度参数描述具有分层属性表面的跑合、支承和润滑性能,该标准已成为ISO标准[9]。Nielsen发现Rk参数组可以用来监控珩磨加工[2]。ISO/TS CD 25178-2[10]将支承率曲线分成峰区、中心区和谷区,定义了V参数组,以此来评定表面功能属性。JB/T 9768-1999[11]没有对形貌功能属性作定量数值评定。

大多数工程表面都是由多个加工过程形成的多尺度表面,平台珩磨表面是典型的多尺度表面。在多尺度表面中,不同加工过程形成的纹理成分处于不同的形貌高度上,具有不同的纹理粗糙度尺度和性能。多尺度表面形貌的功能评定,关键是描述不同纹理成分的功能属性。因此,应根据纹理成分的不同,将支承率曲线分成不同的功能区。上述表面形貌功能评定方法并不是基于纹理成分的不同来划分功能区,因而不一定适合多尺度表面的功能评定。

本文基于概率曲线和支承率曲线,以平台珩磨缸套表面为例,研究多尺度表面形貌的功能评定与加工控制。利用概率曲线识别纹理成分,划分表面形貌功能区范围;再利用支承率曲线对纹理成分的功能进行数值评定。通过分析平台珩磨缸套表面形貌的高度结构、功能和工艺之间的关系,研究了面向功能的表面形貌的加工控制问题。

1 表面形貌功能评定

基于支承率曲线的表面形貌功能评定方法,通常是根据一定的算法,将支承率曲线划分成不同的功能区,以每个区的高度、材料体积或空体积描述形貌的跑合、支承和流体滞留等性能。

对于平台珩磨缸套表面,考虑到粗珩纹理和精珩纹理具有不同的摩擦学性能,因此,在评定表面形貌的功能属性时,应以两种纹理成分的分界点位置来划分功能区,为此,有必要定义合适的参数来表征表面形貌的高度结构,以识别不同的纹理成分。

1.1 表面形貌的高度表征

传统的表面粗糙度参数,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,无法识别不同的纹理,不适合表征由多个加工过程形成的多尺度表面。Williamson率先使用概率曲线来研究分层表面的跑合过程[12]。概率曲线是支承率曲线在正态概率坐标纸上的表示,高斯高度分布表面的概率曲线是一条直线,直线的斜率等于纹理均方根粗糙度Rq。

由粗珩和精珩两个高斯过程形成的平台珩磨表面如图1所示,其概率曲线呈现两个线性区,见图2。顶部的线性区对应精珩纹理,底部的线性区对应粗珩纹理。经过两个线性区的回归直线的斜率分别表示两种纹理均方根粗糙度Rpq和Rvq,两直线交点的横坐标表示两种纹理分界处的支承率Rmq,反映精珩纹理在粗珩纹理上的位置。这样,两种纹理粗糙度成分的大小和分界点位置都可以根据概率曲线确定。这种使用概率曲线的表面形貌高度表征方法已形成标准ISO13565-3[13],该标准定义三个表征参数 Rpq、Rvq和Rmq,通常Rvq/Rpq应大于等于5。

图1 平台珩磨缸套表面形貌

图2 平台珩磨表面形貌的概率曲线

1.2 表面形貌功能区划分

平台珩磨表面的高度表征参数Rmq表示两种不同纹理分界处的支承率,因此,可以以Rmq为分界点,将表面形貌划分成平台区和谷区。考虑到平台区顶部的外凸峰对跑合性能的影响,以5%支承率为分界点,将平台区划分成峰顶区和中心区。中心区是支承率增长最快的部分。这样,以5%支承率和Rmq为分界点,将平台珩磨表面支承率曲线划分成三个功能区,支承率0～5%为峰顶区,5%～Rmq为中心区,Rmq～100%为谷区,见图3。三个功能区分别对应表面的跑合、支承和流体滞留性能。

1.3 表面功能评定参数

图3 表面形貌功能区划分

图3 中的阴影面积A1和A2在数值上分别等于峰顶区的材料体积V mp和谷区空体积V vv[2],即

式中,tp(h)为表面形貌高度为h时的支承率;hmax、hmin分别为表面形貌最大和最小高度;h5、hmq分别为支承率为5%和Rmq时的表面形貌高度。

峰顶区材料体积Vmp越大,则面积 A1越大,表示峰顶区的平均高度越高,说明表面跑合磨损的高度变化越大,跑合性能越差。谷区空体积V vv越大,则谷区有更多的空间容纳润滑油。因此,峰顶区材料体积V mp可以反映表面形貌的跑合性能,谷区空体积Vvv可以描述谷区流体滞留性能。

精珩纹理的支承性能可以用中心区高度H c=h5-hmq评定。Rmq相同的表面,中心区高度Hc越小,说明中心区支承率增长越快,纹理的支承性能越好,在工作寿命期内的磨损越小。

因此,峰顶区材料体积Vmp、中心区高度Hc和谷区空体积V vv三个功能参数可以分别表征平台珩磨缸套表面的跑合、支承和流体滞留功能。

2 表面形貌的加工控制

在实际工程中,如何加工出符合功能要求的平台珩磨缸套表面是需要研究的问题。

加工工艺决定表面形貌结构,表面形貌结构决定其功能属性。在本部分内容中,通过分析表面形貌的高度结构、功能和加工工艺之间的关系,研究面向功能的平台珩磨缸套表面形貌加工控制问题。

2.1 表面形貌结构与功能的关系

表面形貌的功能取决于其结构。表面形貌的功能参数随高度参数的变化情况如图4所示。

图4 高度参数对功能参数的影响

由图4a可见,当Rpq和Rvq保持不变时,随着Rmq的不断增大,即精珩纹理在粗珩纹理上的截取位置不断降低,峰顶区材料体积V mp变化不明显,说明跑合性能变化不大;中心区高度Hc略有增大,但是由于中心区的范围大幅增加,所以中心区材料支承率增大更快,支承性能显著提高;谷区空体积Vvv值则大幅减小,流体滞留性能下降。因此,在设计缸套表面形貌时,应综合考虑支承性能和流体滞留性能要求来确定两种纹理成分的位置。

图4b给出了功能参数随粗珩纹理粗糙度Rvq的变化情况。当Rpq和Rmq不变时,随着Rvq增大,谷区空体积V vv和中心区高度H c都明显增大,而峰顶区材料体积无明显变化。说明增大粗珩纹理粗糙度可以提高谷区流体滞留性能,但是表面支承性能会下降。

精珩纹理粗糙度Rpq对功能参数的影响见图4c。当Rvq和Rmq不变时,随着Rpq增大,谷区空体积V vv和峰顶区材料体积V mp无明显变化,中心区高度H c则明显增大,支承性能下降。因此,降低精珩纹理粗糙度可以提高支承性能,而流体滞留性能变化不明显。

根据上述分析,设计工程师可以根据表面功能要求,设计出符合功能要求的缸套表面形貌结构,确定高度参数Rpq、Rvq和Rmq的值。我们已开发出相关设计程序,可以实现面向功能的缸套表面形貌设计。

2.2 表面形貌结构与加工工艺的关系

表面形貌的加工工艺决定其结构特征。平台珩磨表面形貌是由粗珩和精珩两道珩磨工序形成的,为获得符合功能要求的结构,关键是合理匹配两道珩磨工序的工艺参数[14],如磨粒尺寸、珩磨压力和时间等。如果能够在两道珩磨工艺参数和表面高度参数Rpq、Rvq和Rmq之间建立某种关联,则可以通过控制两道珩磨工艺参数的匹配,获得符合功能要求的表面形貌结构。

Anderberg等[15]的研究表明,虽然改变两道珩磨工艺参数的匹配,会对平台珩磨缸套表面的高度参数Rpq、Rvq和Rmq产生影响,如粗珩纹理粗糙度随着粗珩压力的增大而增大,精珩纹理粗糙度随着精珩时间增大而减小,但是,很难在工艺参数与粗糙度参数之间建立系统性关联。

Feng等[16]通过改变粗珩磨粒尺寸、精珩磨粒尺寸、粗珩时间、粗珩压力、精珩时间、精珩压力等珩磨工艺参数,研究平台珩磨表面的ISO13565粗糙度参数和工艺参数之间的关系,并运用神经网络原理,建立了一个由工艺参数预测粗糙度参数的经验模型。实际上,很难为珩磨过程建立一个解析模型,将珩磨工艺和表面形貌结构联系起来[16]以实现表面形貌控制。实际工程中,为了加工出符合功能要求的平台珩磨表面形貌结构,可以以ISO13565-3参数为纽带,建立能够联系表面功能与加工工艺的经验模型。设计工程师可以根据表面功能要求,给出相应的表面形貌高度参数值;加工工程师根据现场加工设备和检测条件,建立表面形貌高度参数Rpq、Rvq和Rmq与珩磨工艺参数之间的经验关系,根据给定的表面形貌高度参数值制订工艺规范,确定工艺参数,加工出符合功能要求的表面形貌结构,实现面向功能的表面质量控制。

3 结语

本文基于概率曲线和支承率曲线,研究由多个加工过程形成的多尺度表面的功能评定与加工控制。对平台珩磨缸套表面的功能评定与控制研究表明,这种多尺度表面形貌的功能评定方法是可行的;通过以 ISO13565-3粗糙度参数为纽带,建立联系表面功能与加工工艺的经验模型,可以实现面向功能的表面形貌设计与控制。

由于支承率曲线只反映了表面形貌的高度结构,因此,基于支承率曲线的表面形貌功能评定方法不能反映表面形貌的空间结构(如纹理类型、方向和连通性等)与功能之间的关系,下一步将对缸套表面形貌空间结构对功能属性的影响作进一步研究。

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