表面粗糙度理論發(fā)展研究
發(fā)布日期:2012-08-29 蘭生客服中心 瀏覽:5075
表面粗糙度理論與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展
2 表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)中的基本參數(shù)定義
- 與微觀不平度高度特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。其中定義的常用術(shù)語為:輪廓算術(shù)平均偏差Ra、輪廓均方根偏差Rq、輪廓最大高度Ry和微觀不平度十點(diǎn)高度Rz等11個(gè)參數(shù)。
- 與微觀不平度間距特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。其中有輪廓微觀不平度的平均間距Sm、輪廓峰密度D、輪廓均方根波長lq以及輪廓的單峰平均間距S等共9個(gè)參數(shù)。
- 與微觀不平度形狀特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。這其中有輪廓偏斜度Sk、輪廓均方根斜率Dq和輪廓支承長度率tp等共5 個(gè)參數(shù)。
3 精密加工表面性能評價(jià)的內(nèi)容及其迫切性
4 表面粗糙度理論的新進(jìn)展
- 分形幾何理論
- 最近,國內(nèi)外在表征和研究機(jī)加工表面的微觀結(jié)構(gòu)、接觸機(jī)理和表面粗糙度等方面越來越多地使用分形幾何理論這一有力的數(shù)學(xué)工具。研究表明,很多種機(jī)加工表面呈現(xiàn)出隨機(jī)性、多尺度性和自仿射性,即具有分形的基本特征,因而使用分形幾何來研究表面形貌將是合理地、有效地。確定分形的重要參數(shù)有分形維數(shù)D和特征長度A,它們可以衡量機(jī)加工表面輪廓的不規(guī)則性,理論上不隨取樣長度變化和儀器分辨率變化,并能反映表面形貌本質(zhì)的特征,能夠提供傳統(tǒng)的表面粗糙度評定參數(shù)(如Ra、Ry、Rz等)所不能提供的信息。美國TopoMetrix公司生產(chǎn)的掃描探針顯微鏡(SPM)軟件體系中,已將分形維數(shù)作為評價(jià)表面微觀形貌的參數(shù)之一。
- 機(jī)械加工表面分形維數(shù)表達(dá)了表面所具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多少以及這些結(jié)構(gòu)的微細(xì)程度,微細(xì)結(jié)構(gòu)在整個(gè)表面中所占能量的相對大小。分形維數(shù)越大,表面中非規(guī)則的結(jié)構(gòu)就越多,并且結(jié)構(gòu)越精細(xì),精細(xì)結(jié)構(gòu)所具有的能量相對越大,具有更強(qiáng)的填充空間的能力。
- Mandelbrot于1982年在Weierstrass函數(shù)基礎(chǔ)上提出一種分形曲線的函數(shù)表達(dá)式,稱為Weierstrass-Mandelbrot函數(shù),結(jié)合工程表面的特性,往往將W-M函數(shù)寫成如下形式。
Z(x)=A(D-1)
∞
S
n=n1
cos2prnx
r(2-D)n
R>1
1<D<2
(1)
- Z(x)為機(jī)械加工表面輪廓。這樣,就在工程表面的函數(shù)描述中引入了分形維數(shù)D這一參數(shù),式中rn是表面上各次諧波的頻率。它的取值范圍取決于采樣長度L和采樣的最高分辨率,即截止頻率,A為特征長度。對W-M函數(shù)求功率譜可以得到
S(w)=
A2(D-1)
·
1
2lnr
w(5-2D)
(2)
- 輪廓的功率譜服從冪定律,在式(2)兩端取對數(shù)為
lgs(w)=B+klgw
(3)
B=2(D-1)lgA-lg(2lnr)
k=2D-5
- 在雙對數(shù)坐標(biāo)lgs(w)-lgw中,k是斜率,w是截距,從上式可以看出分形維數(shù)D決定著圖線的斜率,特征長度A和分形維數(shù)D決定著圖線的位置(截距)。因此對于機(jī)械加工表面,可以通過其雙對數(shù)坐標(biāo)下的功率譜圖,由(3)式算得分形維數(shù)D和特征長度A。
- 分形理論在實(shí)際應(yīng)用中還有許多工作有待進(jìn)一步研究。一是并非所有表面都具有分形特征,分形維數(shù)能否完全表征實(shí)際表面,還有待進(jìn)一步研究;二是現(xiàn)有的分形數(shù)學(xué)模型并沒有考慮表面的功能特性,也沒有一種方法能唯一確定分形參數(shù)。
圖1 粗糙度Motif
- Motif法
- 隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,表面質(zhì)量不僅表現(xiàn)為表面的形狀誤差、波度、表面粗糙度等要求,而且對表面的峰、谷及其形成的溝、脈走向與分布等也有要求,需要對與表面功能密切相關(guān)的表面紋理結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評定。顯然,現(xiàn)在普遍采用的以2維參數(shù)為基礎(chǔ)的表面形貌評定方法過于注重高度信息,對高度信息做平均化處理,而幾乎忽視水平方向的屬性,不能反映表面的其實(shí)形貌。
- Motif法基于地貌學(xué)理論從表面原始信息出發(fā),不采用任何輪廓濾波器,通過設(shè)定不同的閾值將波度和表面粗糙度分離開來,強(qiáng)調(diào)大的輪廓峰和谷對功能的影響,在評定中選取了重要的輪廓特征,而忽略了不重要的特征,該方法被引入法國汽車工業(yè)表面粗糙度和波度標(biāo)準(zhǔn),也已制訂成國際標(biāo)準(zhǔn)ISO12085。
- Motif由兩個(gè)單個(gè)輪廓峰的最高點(diǎn)之間的基本輪廓部分組成,兩個(gè)峰之間的谷為一個(gè)單個(gè)的Motif,如圖1所示,并用平行于輪廓的總走向的長度AR,垂直于基本輪廓總走向的兩個(gè)深度Hj和Hj+1,以及特征量T(T=min[Hj,Hj+1])表征。在設(shè)定閾值條件下,Motifs經(jīng)過不斷的合并,得到評定表面功能的Motifs集合,ISO12085推薦的參數(shù)見表1。
表1 Motif法的表征參數(shù)
原始輪廓
粗糙度參數(shù)
波紋度參數(shù)
輪廓總高度
Pt
Wt
Motifs的平均深度
R
W
Motifs的最大深度
Rx
Wx
Motifs的平均間距
AR
AW
- Motif的合并應(yīng)遵循4個(gè)條件,否則2個(gè)相鄰的峰不能被合并,只能作為單個(gè)的Motif處理。
- 包絡(luò)條件如果兩個(gè)相鄰Motif的中間峰大于兩邊的峰,則2個(gè)Motif不能合并。
- 寬度條件2個(gè)相鄰Motif合并后的長度不大于A(對表面粗糙度Motif)或B(對表面波度),則可以合并。預(yù)先設(shè)定的Motif寬度的最大值A(chǔ)可以分離表面粗糙度和表面波度,實(shí)際上即為閾值。設(shè)定的B值則可以分離波度和殘留形狀。
- 擴(kuò)大條件2個(gè)Motif合并后的高度必須大于或等于原來的2個(gè)Motif。
- 深度條件單個(gè)Motif的高度必須小于合并后Motif高度的60%。
- Motif法僅用7個(gè)參數(shù)就能對表面粗糙度和波紋度進(jìn)行完整的描述,它尤其適合沒有預(yù)行程或延遲行程的輪廓;在未知表面和過程上進(jìn)行技術(shù)分析;與表面的包絡(luò)面相關(guān)的性能研究;辯識(shí)粗糙度和波度具有相當(dāng)接近波長的輪廓。Motif法以寬度閾值代替取樣長度,自動(dòng)給定截止波長,真實(shí)匹配輪廓的局部特征,評定參數(shù)少。但是Motif法的四個(gè)合并條件是來自多年的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn),缺乏理論依據(jù),并且三維Motif仍沒有統(tǒng)一的定義和合并準(zhǔn)則。
- 特定功能參數(shù)集
- 在工程應(yīng)用中,機(jī)加工的許多零件表面需要具有特定的功能特性,如支承性能、密封性和潤滑油滯留性能等;谶@些功能需求,零件表面就必須被設(shè)計(jì)、加工成特定的形貌以滿足預(yù)期的應(yīng)用。所以我們有必要定義特定的功能參數(shù)來有效地表征零件表面的特殊屬性,零件表面從接觸應(yīng)用角度(如摩擦磨損,潤滑,密封緊密性,接觸應(yīng)力,接觸剛度、承載面積和熱導(dǎo)率等)和非接觸應(yīng)用角度(如光學(xué)鏡頭,表面維護(hù)和表面油漆處理)來看,其在功能方面的特殊屬性要求是極其廣泛的。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)針對表面特殊性能要求設(shè)定功能參數(shù)集。比較典型的是表征具有高預(yù)應(yīng)力表面的基于輪廓支承度率曲線的Rk功能參數(shù)集。
- 在20世紀(jì)80年代初,Trautwein提出了一個(gè)關(guān)于Abbott-Firestone曲線的兩段線性模型,他用這個(gè)模型去表示缸膛表面的特征。從這個(gè)模型中還引伸出一個(gè)被稱為液體滯留容積的參數(shù)。最近,又有學(xué)者把Abbott-Firestone曲線分成三個(gè)區(qū)域,并在此基礎(chǔ)上提出了Rk參數(shù)集,該參數(shù)集也正式地被寫進(jìn)德國DIN4776標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)參數(shù)集主要是用于表征具有高預(yù)應(yīng)力的表面,如珩磨表面、拋光表面、磨削表面等,這些相關(guān)的參數(shù)將輪廓支承度率的增長描述成粗糙度輪廓深度的函數(shù),結(jié)合氣缸套的平臺(tái)網(wǎng)紋本身的特點(diǎn)及氣缸套的工作狀況,確立了基于輪廓支承度率曲線的參數(shù)指標(biāo),這套評定指標(biāo)能夠?qū)飧滋變?nèi)表面粗糙度輪廓的磨合特性、潤滑特性、網(wǎng)紋分布等進(jìn)行對應(yīng)的定量分析,實(shí)現(xiàn)完整、準(zhǔn)確地描述及評價(jià)氣缸套平臺(tái)網(wǎng)紋。
圖2 基于Abbott曲線的評定參數(shù)
- 輪廓支承長度率曲線tp(c),又稱Abbott-Firestone曲線,是描述輪廓形狀的主要指標(biāo)。tp(c)能直觀地反映零件表面的耐磨性,對提高承載能力也具有重要的意義。在動(dòng)配合中,值tp值大的表面,使配合面之間的接觸面積增大,減少了磨擦損耗,延長零件的壽命。從tp(c)曲線的特征可以看出,它對氣缸套內(nèi)孔表面耐磨性能、潤滑性能,使用壽命等都有非常重要的意義。為此設(shè)定了一組基于輪廓支承長度率曲線的參數(shù)集,對應(yīng)氣缸套的實(shí)際工作狀況,對tp(c)曲線進(jìn)行量化的描述,如圖2所示,粗糙度輪廓及對應(yīng)的tp(c)曲線被分為三個(gè)部分,分別為輪廓峰、核心輪廓和輪廓谷。
- 簡約峰高RPK 是指粗糙度核心輪廓上方的輪廓峰的平均高度。表面輪廓頂部的這一部分,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行時(shí),將很快被磨損掉,其減低的高度將影響氣缸套進(jìn)入正常工作狀態(tài)的磨合時(shí)間,及實(shí)際材料磨損量。
- 核心粗糙度深度RK 在分離出輪廓峰和輪廓谷之后剩余的核心輪廓的深度為RK。這一部分是氣缸套長期工作表面,它影響著氣缸套的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和使用壽命,是粗糙度輪廓的核心部分。
- 簡約谷深RVK 是指從粗糙度核心輪廓延伸到材料內(nèi)的輪廓谷的平均深度。這些深入表面的深溝槽在活塞相對缸套運(yùn)動(dòng)時(shí),形成附著性能很好的油膜,在提高孔的耐磨性、縮短發(fā)動(dòng)機(jī)磨合時(shí)間的同時(shí),能大幅度降低油耗。
- 輪廓支承長度率Mr1 以百分?jǐn)?shù)表示的輪廓支承長度率Mr1是為一條將輪廓峰分離出粗糙度核心輪廓的截線而確定的。Mr1值是氣缸套進(jìn)入長期工作表面的上限,其數(shù)值的大小直接反映了氣缸的加工水平和使用性能。
- 輪廓支承長度率Mr2 以百分?jǐn)?shù)表示的輪廓支承長度率Mr2是為一條將輪廓谷分離出粗糙度核心輪廓的截線而確定的。Mr2值是進(jìn)入長期工作表面的下限,其數(shù)值的大小不但決定了磨損量,還決定了工作表面以下深溝槽的貯油、潤滑能力。
- 存油量V0 粗糙度核心輪廓向下延伸到材料內(nèi)的輪廓谷的橫截面積實(shí)際上就是深溝網(wǎng)紋的存油量V0,它是tp(c)曲線與右邊縱軸及Mr2對應(yīng)的截線構(gòu)成的陰影部分面積,它對缸套的潤滑性能無疑有重要意義。它近似為三角形面積:V0≈(100-Mr2)×RVK/2。
- 圖中參數(shù)的確定需要使用一條回歸線,回歸線的40%以上的部分是tp(c)曲線上的點(diǎn)構(gòu)成,回歸線在縱坐標(biāo)方向上的差值平方最小,回歸線與縱軸兩交點(diǎn)之間的垂直距離即為核心粗糙度深度RK,兩交點(diǎn)對應(yīng)的截線位置即為Mr1、Mr2對應(yīng)的截線位置。
- 對于Rk參數(shù)集的功能特征參數(shù),其定義方法在于把Abbott-Firestone曲線分成不同的部分以對應(yīng)不同的功能區(qū)域。雖然這些方法可以成功地用來表征特定的一些工程表面,但是由于它主要是基于制造工藝經(jīng)驗(yàn),缺乏理論依據(jù),這種方法在表征大多數(shù)其它的工程表面時(shí)會(huì)失去原有的意義。
- 機(jī)械加工表面分形維數(shù)表達(dá)了表面所具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多少以及這些結(jié)構(gòu)的微細(xì)程度,微細(xì)結(jié)構(gòu)在整個(gè)表面中所占能量的相對大小。分形維數(shù)越大,表面中非規(guī)則的結(jié)構(gòu)就越多,并且結(jié)構(gòu)越精細(xì),精細(xì)結(jié)構(gòu)所具有的能量相對越大,具有更強(qiáng)的填充空間的能力。
5 結(jié)語
- 表面輪廓微觀統(tǒng)計(jì)特征的全面準(zhǔn)確描述問題;
- 表面輪廓為隨機(jī)過程,評定參數(shù)的值并不確定,由此產(chǎn)生了測量不確定性問題;
- 評定參數(shù)的相互關(guān)系以及參數(shù)數(shù)目越來越多的參數(shù)爆炸問題;
- 表面輪廓的測量結(jié)果受測量基準(zhǔn)和儀器分辨率影響的問題;
- 表面粗糙度參數(shù)與使用性能不能完全對應(yīng)的問題。
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