工件表面微观结构的三维测量技术

朱正德 / 上海大众动力总成有限公司

工件表面微观结构的三维测量技术

朱正德 / 上海大众动力总成有限公司

通过实例对工件表面微观结构的三维测量技术进行了系统描述，并重点介绍激光造型新工艺以及成型表面的特点，提出“三维评价”法来检验、评定经激光造型后形成的新表面，以替代传统的二维检测方法。另外介绍最近的“自动变焦形貌测量”新技术，可进一步提高检测自动化程度，大大提高检测工作效率。

表面微观结构；二维测量和三维测量；激光造型；评定参数

0 引言

工件的表面形貌包括了粗糙度、波度和形状误差，而表面微观结构主要指前二项[2]，它们均为零件重要的质量监控指标。关于工件表面微观结构的三维测量，国外早在二十世纪八、九十年代已经做了不少前期工作。以检测方式而言，既有藉助传统的触针式粗糙度测量仪，也出现了数种光学测量方法，如光切法、光学探针和干涉显微镜等。但迄止二十一世纪初，即使在工业化国家，三维测量也还没有在主流制造业（如机动车行业）中获得真正的应用。这与检测技术服务于制造工艺、用以验证工艺方法执行效果的属性，以及二维测量及其评定参数至今仍然尚能适应、满足批量生产条件下对零件制造工艺的评定有关。

1 二维测量用于工件表面微观结构评定的技术

1.1 表面微观结构与工件配合面的工艺性能

作为发动机重要的摩擦付，配合面的状态是否符合要求至关重要，在诸多影响因素中，配合面的微观结构往往会决定相关的工艺性能[4]。例如，对于缸孔来说，通常情况下，经过珩磨加工后的工件表面应同时具备这样两项功能，一方面需要具有很光顺的表面和尽可能多的承载面积，从而确保相互运动时的滑动性和耐磨性；另一方面，又需要一个开放性的表面微观结构，以保障表面的储油能力，即这个表面仍然是“粗糙”的。为了同时能体现出这两项功能，就需要使工件表面在相对粗糙的基础上呈现出平台结构的精细的表面形态，藉助在表面贮存的润滑剂将两个摩擦付表面完全分离，使得任何运行状态下磨损最小。而不同于上述这组摩擦付，在发动机的活塞—连杆—曲轴运动机构中，与曲轴连杆轴颈组成运动摩擦付的，是一对（两半组成）与连杆大头孔内壁紧贴在一起的轴瓦，两者之间不允许有相对运动，而且要求在传递高负荷的扭矩时竭力避免出现滑动，以免影响发动机的运行。为此，长期以来在产品结构和工艺上，采取了分别在两片轴瓦和分体的两半连杆体上加工止口的方法，防止产生滑移现象，这一工艺沿用至今。但近年来，出于改进产品结构和制造工艺的考虑，上述连杆轴瓦止口限位工艺已在一些企业的新产品中被取消，且这种情况逐渐增多。显然，这种简化了的结构和工艺会对大头孔内壁与轴瓦之间的配合提出了更高的要求，最基本的就是：被紧紧压入孔中的轴瓦与孔壁必须有足够的摩擦力，以确保发动机在高速运转中轴瓦不会滑移。这一点也只能由连杆大头孔内壁的特有要求的表面微观结构来实现和保证。那么，如何在工件表面产生和验证这些有特定要求的微观结构呢？

1.2 加工工艺方法与工件的表面纹理

无论是缸孔还是连杆大头孔，业内现今采用的精加工工艺仍是珩磨，由此在表面形成的微观结构虽然会有所差别，但就其本质来讲，都属于连续性的纹理状，与一般传统的切削型工艺方法（如车、铣、刨、镗、磨）的情况相同。图1是采用触针/电感方式对这类表面进行粗糙度测量[2]的一张放大图，由图可见：对这类表面，由于普遍呈现连续性的纹理结构，因此在取向相同的情况下，采取二维测量时在不同截面所获得的测值具有可比性和趋同性。故在验证被加工面微观形态的符合性时，采用二维测量是完全可行的，最多为了更加客观起见，可选相距较远的位置多“拉”几条线、即多测几次而已。

图1 连续纹理表面的粗糙度测量

1.3 工件表面微观结构符合性的验证

为验证加工后的工件表面微观构造能否满足所要求的工艺性能，需要确立对应的粗糙度评定参数，进行有针对性的定量表述。以缸孔内壁为例，如果仅采用Ra、Rz等单一“振幅”类参数，显然不足以完成对表面的正确评价，而必须再导入一些综合性的评定参数。其中，Rk称为中心区峰谷高度，又称有效负荷粗糙度。从其形成的机理来看，相对于给定的一个值，对应最大的轮廓支承长度率。故Rk的实质是这部分的中心区深度将在高负载运行中被磨损掉，但又能最大程度地达到耐磨性。Rpk是超过中心区峰谷高度的轮廓波峰平均高度，又称初期磨损高度，而Rvk是从中心区下限到有实体材料的轮廓波谷的平均深度，它反映润滑油的储存深度，体现了摩擦付在高负载工况下的失灵保护。Mr1和Mr2分别为波峰、波谷轮廓支承长度率，由轮廓中心区上、下截止线决定，其实Mr1表示了表面的初期磨损负荷率，而Mr2则为长期磨损负荷率。至于对连杆大头孔内壁的评定要求，眼下多数国内企业还只采用Ra或Rz，通过调研发现，所设定的指标值的分散性还较大，如在以Ra为评定参数时，从Ra0.2、Ra0.3到Ra1.6、Ra2.0都有。可见此时对孔壁微观结构的要求还是较宽松的。如上所述，随着近年来产品结构和工艺的改进，对连杆大头孔内壁的微观结构要求也在提高，以下表述的要求有一定的代表性：（1）RzA±a；（2）Rpcminn（±C）。

第一项评定参数Rz的值已不同于习惯表示，而是要求R保持在一定范围内，以确保被测表面必须“粗糙”到一定程度。另一项评定参数为Rpc（有时也被称为PC），即“标准化的轮廓波峰统计”，也可简称为“波峰计数（Peak Count）”，即在评定长度内，超过了所设定的统计边界上限和下限（C1，C2）的波峰和波谷的数目（参见图2）。必须指出的是：计数原则为轮廓线都超出边界的上下限，而且需要将评定长度内的Rpc转换成长度为10 mm的标准距离。据此，评定指标Rpcminn（±C）的含义为：当统计边界为±C时，被测表面上10 mm标准距离内的波峰计数值Rpc必须大于n。举一个实例予以说明：（1）Rz=（8±3）μm取样长度0.8 mm，评定长度4 mm；（2）Rpcmin= 170 μm统计边界 ± 0.3 μm。

实际进行粗糙度测量时，仪器只经过4 mm的评定长度，但在评定时，需转换到10 mm的标准距离，并要求≥Rpc170，而统计边界为±0.3 μm。

图2 评定参数PC的含义

2 激光造型工艺与成型表面的特点

激光造型[1]是一种二十一世纪初才诞生的新工艺，首先被用于发动机汽缸体缸孔和连杆大头孔精加工等关键工序以取代珩磨。近年来，激光造型在欧洲机动车发动机业界的应用日益增多，并自2009年开始，进入了国内的主流机动车发动机生产企业，展现了它十分广阔的市场前景。简单地说，这项新技术就是利用激光头所发出的数控激光束，在被加工表面制作出符合事先设定要求的表面微观结构的一种工艺方法。在实施表面造型的加工过程中，高能量的光束有部分将被工件表面反射、有部分则被吸收，被吸收的光束能在瞬间将材料加热并使之达到气化状态。这种“激光刀”产生的光束的切削能力取决于脉冲频率、功率、开关时间和进给速度等。由于温度升高是瞬间产生的，并且具有很高的能量聚集密度，因此光束只在一个有限的局部做瞬间切削，工件材质的特性不会由此而产生变化。另一方面，黏结在工件表面上的冷却剂残余物将被蒸发或燃烧，也不会影响到激光束切削的质量。专用造型设备的数控系统能驱使激光头做上下和旋转运动，并对光束的开关时间和能量进行相应的控制，从而使用户能获得不同要求的、可控的表面微观结构。

对于缸孔精加工工序而言，最终获得的理想表面，应该是一个既有较高光洁度的平台结构，又具有可控的、适量而又充足的微观构造，以使机油有较长的驻留时间和良好的流体动态压力。为此，在引入了这项新技术后，选择的是规整、均匀的沟槽方案，具有交错断续或交叉点坑的分布特征。图3是常选的三种沟槽构造形式：袋状（左）、杯状（中）和块状（右）。上述结构的一个共同点是无交叉、不连通，各沟槽相互之间没有任何联系，能有效存储润滑油而不易流失，便于形成均匀油膜，使摩擦付处于流体润滑状态。由此，既保证了足够的润滑，又阻止了过多的机油窜入燃烧室，还可减少应力影响，对改善摩擦性能有很大好处。相比之下，传统珩磨工艺在缸孔内表面形成的往往就是相互连通的网状沟槽结构，且表面粗糙度偏“粗”，导致储油量过多。而采取激光造型工艺的结果是使润滑油的消耗量会有较大幅度的减少，涉及环保的指标，如颗粒物排放和油粒排放则有明显降低。相比缸孔在整个圆周范围实施烧蚀造型，连杆大头孔精加工在引入这项新技术后，只是在孔圆周的4个矩形表面上进行造型，即是图4中四个箭头所指的局部阴影区域。对于一台小排量机动车发动机，其连杆大头孔的外径一般不超过50 mm，厚度不超过20 mm，则取高（轴向）为13～15 mm，宽（圆周向）度（即弧长）则稍大些，但一般不用长度单位mm表示，而采用对应的角度标注，约为35°。如前所述，缸孔激光造型乃是在其表面上加工出规则、均匀的沟槽。而对于连杆大头孔，则是在精镗后的圆周面上完成较均匀的凸峰状造型，无疑两者是不一样的，所产生微观结构的均匀程度也是不同的，后者更为困难。图5是经过激光造型后的表面构造三维图。从上文可知，由于连杆大头孔珩磨后要求体现的工艺性能就是确保与轴瓦间有足够的摩擦力，因此规则、均匀的程度，以及烧蚀造型过程中珩生的一些黏结熔堆和氧化物不会影响其工艺效果。

图3 三种常选的沟槽造型结构示意

通过上述介绍可清楚地看到，经激光造型形成的工件表面微观构造与传统的切削加工后的成型面有很大差别，具有断续性、不连贯的特征。这样在进行检测和评定时，如果采取二维测量、评价的方式就会产生较大误差。一个显见的事实是，若在一些重要部位（如配合面）还需满足相关的工艺性能，那么进行检测和评价时就应该把“面”作为对象，而之前国内外一直沿用二维测量方法，只是利用了传统切削加工形成的工件表面所具有的这种连续性纹理结构特征，而采取的一种“简化”方案。

图6的成型表面实例类似于图3中的两种造型结构，但表面上也还存在少量不高的凸起（即白色区域）。图中，左边的为“袋状”，右边的为“杯状”。假如以图中的红线作为二维测量时的测针运行轨迹，就可能得出以下的一些评定结论：

1）如图6中显示的状态，所得到的结果应该是相同的，这只要从对应于下方的二维测量截线就能看出。事实上，即使取图6这一块平面来看，左边的袋装构造较之右边的杯状，其储油空间要大的多。

2）即使是对同一个表面，只要稍微移动测针的测量轨迹，也会得出完全不同的结果。设想把图6中左（或右）的红线稍为下移，就只测到一个沟槽、甚至测不着的情况，从而得出与图6完全不一样的评定结论，显然以上两种情况都说明，若再沿用二维测量方式是不可行的。

图4 大头孔圆周上的造型区

图5 连杆大头孔经激光造型后的表面微观结构

图6 经激光造型后的工件表面示例

3 表面微观结构三维测量相对应的评定参数

由上可知，若采用二维测量的方法来检验经激光造型后形成的表面将会出现很大的误差，为了更确切地验证此时工件表面的微观构造是否符合所要求的工艺性能，必须采用“三维评价”，并建立相应的评定参数和检测方法。事实上，除个别参数外，三维评定参数都是建立在二维评定参数的基础上的，且可一一对应。当然，就现今已应用于实际的参数的数量来看，前者要少得多，但已能覆盖包括上述表面重要工艺性能的项目。表1列出了部分常用的评定参数。

表1 二维（2D）和三维（3D）评定参数对照

以最常用的“振幅”类评定参数之一的Ra为例，其含义是在取样长度内，经滤波后的全部轮廓偏距绝对值的算术平均值

对应的3D评定参数则可以表述为

2D类的评定参数所采取的采样、数据处理和评价都囿于一个截面，即只在工件被检表面的一个法向截面进行，3D类参数则有所不同，它的测量对象并非工件表面上的一个截面，而是一个区域，至于如何实现测量、评定，则可以有不同的方式。

另一个常用的二维评定参数RZ往往称为十点高度，其含义是在滤波后的轮廓评定长度内，5个最高的轮廓峰高值和5个最低的轮廓谷深值的绝对高度的平均值。RZ可用下式表达：

式中：P— 最高的5个峰高值；

V— 最低的5个谷深值

而对应的3D评定参数的表述形式为

实际上，两者的表达方式完全一样，只是RZ仅反映了一个截面的范围，而SZ则反映了一个区域，故后者表达式中的峰高和谷深完全有可能不在同一个截面内。

在众多3D评定参数中，Ssc是极个别的无法与2D参数相对应的一项评定参数，被称为波峰曲率算术平均值，其含义为：在被测表面轮廓范围内，被测得的众多波峰最大曲率的平均值。藉助Ssc，人们就能较全面地了解该工件表面波峰、凸起的大致情况，是呈浑圆状还是比较尖锐，这对弄清和更全面地了解配合状况存在具有很大的意义。Ssc的单位是1/μm，也就是曲率的单位，其数学表达式较复杂，此处从略。

4 传统检测手段在表面微观结构三维测量中的应用及其不足

不同于二维测量，三维测量的测量对象并非工件表面的一个截面，而是某个区域，因此如仍采用传统的触针式检测，就必须在m个平行的法向面上逐个进行测量，最终根据这些采样结果进行数据处理和评价，以反映被测区域的表面微观特征。m一般需大于100。通过增添相关的硬件、软件，即精密微动工作台和3D数据处理软件，才能实现以上过程。以连杆大头孔为例，由于其造型面乃是圆周上的四块，故实施检测时需逐个地分别进行，再进行分析。假如按以下方式对仪器进行设置：取样长度Lc为0.25 mm，测量速度0.5 mm/s，X方向和Y方向的采样密度25 μm×2.5 μm。其中，X是仪器测头沿圆周测量时的走向，25 μm是采样密度，Y是工作台每次微动的距离，也就是每相隔25 μm将测一次，Y的长度是0.5 mm，因此完成整个截取面需要测量201次（条）。由于配备了三维测量软件，因此在所采集数据进行处理的基础上，就能按照产品（图纸）技术要求中规定的评定参数，对被测表面做出评价，主要的评定指标的设置有如下两种。

（1）沿袭用于珩磨后表面工艺性能评价时所采用的两个二维评定参数Ra和Rpc，只需换成Sa和Spc。

（2）增加一项三维评定参数Ssc，这样就能更确切地反映出大头孔内壁微观结构适应工作状态的情况了。

上述“传统”的表面形貌三维检测方法，虽然已获得了实际的应用，但它有着先天的局限性，主要是效率太低。以连杆大头孔测量为例，即使只测其中一块（约10 mm×12 mm）的一个区域，也要近50 min，若考虑到辅助时间，完成该工件全部检查任务需耗时近3 h。

此外，检测质量也较差，包括：

（1）区域面积扫描时由多次单一线扫描拼合而成，线扫描之间的表面形貌信息丢失。

（2）触针式探头的尺寸导致了在测量微纳米结构和陡峭变化表面时容易出错。

（3）探头在粗糙的表面上移动时，会发生横向偏离和跳动，导致滑动不流畅及产生的测量轨迹并非一条直线而是有扭动。此外，在材料偏软时会在表面形成划痕。

5 自动变焦三维形貌测量技术及其实际应用

虽然在多年前已有过诸多光学法用于工件表面三维形貌测量的尝试，但迄今真正在主流制造业获得实际应用的却很少见。这与那些光学测量方式在技术上的一些局限性制约了它们形成有效产品有关[3]。但不久前才出现的自动变焦三维形貌测量技术使这一局面发生了很大的变化，其工作原理的要点如下：光学系统在沿Z轴移动的过程中连续地、逐层扫描被检工件的表面，从聚焦不足一直扫描到聚焦过度。这样在每个表面上的每一个点都有一条相对应的对比度变化曲线，其中的峰值所对应的Z轴位置、即该点能被最佳聚焦的位置，也就是该点在表面上的Z轴位置。光学装置下端是物镜，而另一端是反映影像的CCD，根据CCD上所获得的被测表面上数千万个点的Z轴位置建立的三维模型，就能获得表面的三维形貌，或只取其中的粗糙度。Z轴的位移精度很高，分辨力可达10 nm，而逐层扫描的间隔和扫描的面积则是可调的。当检测的要求只是工件的表面粗糙度，垂直方向（Z轴）的测量范围就较小，如定为20 μm，此时选间隔值为0.1 μm，即每相隔0.1 μm拍一张，那么完成全部逐层扫描就得拍200张照片。在扫描面积较小，譬如a×a的正方形单边a=2～3 mm时，整个测量过程将在不到1 min内完成。

自动变焦三维测量优于其他光学方法的重要一点就是既能对工件表面的细微处，也能对宏观外形进行准确、快捷的检测。一般情况下，仪器的最大测量高度，即轴向扫描范围可达23 mm，而最大扫描面积为100 mm×100 mm，与前文提到的逐层间隔一样，这些参数都是预先设置的。但为了对图4所示的连杆大头孔的激光造型面进行相关测量，就必须再在基本型仪器的基础上予以专项设计，主要表现在特殊的载物工作台等机构上，此时工件固定于一装夹单元，而被测的大头孔内有一可回转的反射棱镜。整个测量过程中，反射镜转动先后停留在4个位置，分别对准4个激光造型面，每个位置间的间隔是90°。图7是这台专用测量仪器的工作示意图，从图中所示可见，仪器对被测表面的逐层扫描乃是通过由物镜透出的光线，经过反射镜水平地投射到连杆大头孔内的激光造型面上的。由于整个检测均自动进行，故效率很高，加上工件的装卸也不过短短的几分钟，相比前面介绍的传统方法，工效提高了几十倍。

图7 孔径专用测量仪工作原理示意图

6 结语

粗糙度测量的出发点是为了验证加工后的表面微观构造能否满足产品设计对被测工件所提出的要求，其本质乃是对所采用的制造工艺的一种验证，这也充分体现了检测服务于制造的这一原则。但生产企业又不同于高校、院所的实验室，尤其是在用于机动车制造等大批量生产的行业时，必须考虑到所采取的手段、方式既有足够的测量准确度，又具有适合生产节奏的效率。另外，如何平衡自动化程度和购置设备时的投入，也是企业需面对的问题。本文为上述理念提供了一个很好的、具有典型代表性的案例。

[1] （德）Gehring公司.物体表面激光造型珩磨加工——改善表面摩擦性能[R]. VDI-Z（德国汽车工业协会）专业领域年度一览，

[2] 翟绪圣. 表面粗糙度测量[M]. 北京：中国计量出版社，1989.

[3] 王洪祥，董申. 超精密加工表面微观形貌的光学测量方法[J]. 工具技术，1999，5：32-35.

[4] 朱正德. 粗糙度评定参数多样化提升产品质量的监控水平[J]. 上海标准化，2009. 2：27-30.

3D-measurement technology applied to micro structure of parts surface

Zhu Zhengde
（Shanghai Volkswagen Powertrain）

This article describes 3D-measurement applied to micro structure of parts’ surface systematically taking for examples, then puts emphasis on introducing new laser structuring technology and the character about forming surface. The article explains the“3D-evaluation” method which applied to new surface formed by laser structuring for inspecting and evaluating it instead of the traditional the “2D-evaluation” method. Finally a new special instrument is introduced, its working efficiency and quality is very high because of using the surface micro measuring technology called focus auto regulating.

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