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表面粗糙度標準體系的完善及其在發動機生產中的應用

http://www.b2b.hc360.com 中國金屬加工網 信息來源:Author發布時間:2019年06月24日瀏覽:280

零件表面結構特征是由三部分組成的,即宏觀的形狀誤差、微觀的表面粗糙度及界于兩者之間的表面波紋度。它所影響的主要方面有摩擦系數、磨損、疲勞強度、沖擊強度、耐腐蝕性、接觸剛度、抗振性、間隙配合中的對中精度、過盈配合中的結合強度、對光的反射性能、流體阻力、鍍層質量等。為此零件的表面粗糙度是零件質量的重要表征之一。但國內對評定表面質量參數的選擇及定義與國外發達國家存在著差異,這對于有關表面質量的新國標在合資企業的上的應用造成了困難。就東風商用車而言,其生產的發動機五大件中有關表面質量控制的相關參數使用的是法國標準。而從國內購置的外協零件采用的是國標,兩者存在一定的差異,導致使用者使用上的不便。執行標準的不同,對零件的生產、零件的質量及性能都有很大的影響。

關鍵詞:表面粗糙度輪廓;國家標準;演變;零件功能; 


1零件表面幾何狀態特性

    在現代工業生產中,一個零件的許多技術性能的評價常常依賴于零件表面特征的狀況,零件表面的耐磨性、密封性、配合性質、摩擦力、傳熱性、導電性以及對光線和聲波的反射性,液體和氣體在壁面上的流動性、腐蝕性、涂層的附著力、振動和噪聲等功能都與零件表面的幾何特征密切相關。表面的形成機理及其特征取決于它的加工方式和工藝要求加工過程中任何條件的變化,包括刀具的磨損材料中的應力表面硬度的差異周圍環境的變化以及不規范的工藝流程都將引起表面幾何特征的變化,由此可見必須使用合適的加工方式和經濟合理的工藝方法以獲得能反映特定使用功能的最優化的表面特征參數。

零件在制造過程中產生的表面幾何形狀以及加工后的實際表面形狀與理想的表面形狀總是存在一定的偏差,實際表面往往是一個很不規則的復雜表面其上有一系列的具有不同間距和高度的峰谷,實際表面對于理想表面的幾何形狀的偏差現今劃分為三類,即形狀誤差、表面波度、和表面粗糙度。形狀誤差是指從表面整體形狀觀察分析表面的宏觀特征,通常只包含一個或幾個起伏不平,其起伏間距較大;表面波度則是表面上呈現出的周期性的起伏,其起伏間距較小;表面粗糙度指的是更小間距上的起伏;零件表面雖然從宏觀上看是平直的但從微觀上看是粗糙不平的,同一個加工表面往往受形狀誤差、波紋度和粗糙度這三類表面幾何形狀偏差的綜合影響,即三類幾何形狀誤差疊加在一起所形成的表面輪廓形狀,雖然如此由于各類偏差形成的原因和特性以及它們與各種使用功能的因果關系均不相同。

表面粗糙度反映的是零件表面上的微觀幾何形狀誤差,是表征零件表面質量的重要技術指標。它對零件的下述主要功能產生影響:抗彎強度、疲勞強度、干摩擦性能、粘滯摩擦性能、流體摩擦性能、抗腐蝕性、抗磨損性、導熱性、導電性、靜態密封性和動態密封性等等;表面粗糙度在零件磨合期間影響較大,根據零件的功能選擇加工方法時,應注意表面粗糙度和尺寸公差的精度等級之間通常存在一種密切的關系。表面粗糙度主要由加工過程中刀具和零件表面間的摩擦、切屑分離時表面金屬層的塑性變形及工藝系統的高頻振動等原因形成的。因為表面粗糙度對零件的使用性能有很大影響,所以要對零件表面提出表面粗糙度要求,制造零部件時也必須予以保證。但是,在零件加工過程中,由于機床、刀具、夾具、工藝、潤滑、冷卻及零件的結構、材料等因素的影響,使零件表面粗糙度產生各種缺陷,如最常見的:刀痕粗糙、鱗刺現象、表面波紋、劃傷拉毛、高頻率的振紋。這些缺陷的存在,往往使零件的表面粗糙度達不到產品的要求,嚴重時,導致零件功能的下降或喪失,因此必須采取相應的措施加以解決。

 

2零件表面粗糙度對產品性能的影響 

表面粗糙度反映的是零件表面上的微觀幾何形狀誤差,是表征零件表面質量的重要技術指標。它主要對零件的功能產生以下影響:抗彎強度、疲勞強度、干摩擦性能、粘滯摩擦性能、流體摩擦性能、抗腐蝕性、抗磨損性、導熱性、導電性、靜態密封性和動態密封性等等。下面就對耐磨性、配合性質穩定性、耐疲勞性、抗腐蝕性的影響進行具體的分析。

<1>對耐磨性的影響

影響摩擦表面的抗磨料磨損能力:

表面抗磨料磨損的能力與其最大峰高以及支承長度率關系密切。另外,它還與谷底所占的體積率有關。輪廓谷起著存積磨粒的作用,一旦各部位不足以存積掉下來的磨粒時,則磨損過程將大大加速發展。

對于有潤滑劑的表面,那些對油膜厚度有影響的粗糙度參數,自然會對抗磨料磨損能力起作用。如磨損率隨粗糙度加大而加快,但在到達一定程度以后就趨向穩定;橫向紋理比縱向紋理磨損快,但在粗糙度值較小時,紋理方向效應逐漸減小以至消失。

影響摩擦表面的抗膠合磨損能力:

磨損的另一種形式是膠合,分為熱膠合與冷膠合。熱膠合是粘著磨損中由溫度誘因且居突出地位的一種磨損。通常發生在重載荷、高的滑速場合。冷膠合也是粘著磨損的一種,它不是由表面瞬時高溫所引起的,而與峰點接觸處的高壓造成塑性流動最后形成粘連有關。

由于膠合的發生與潤滑油膜的破裂有關,因此前述影響動壓油膜的因素,在不同程度上也影響抗膠合能力。在同樣的表面輪廓幅度下,波長愈大則抗膠合能力愈高;而在同樣波長之下,不平度幅值增大時,抗膠合能力先提高,超過一定限度(油膜破裂)后開始急劇降低。

冷膠合大多發生在低速重載條件下,可以控制表面粗糙度的均方根的值和峰頂曲率半徑來限制塑性指標,使其小于1以減少冷膠合產生的可能性。

簡言之,相互運動的兩個零件表面越粗糙,則它們的磨損就越快。這是因為這兩個表面只能在輪廓的峰頂處接觸,當表面間產生相對運動時,峰頂的接觸將對運動產生摩擦阻力,使零件的表面磨損。

<2>對配合性質穩定性的影響

相互配合的孔、軸表面上的微觀小峰被去掉后,它們的配合性質會發生改變。對于過盈配合,由于壓入裝配時孔、軸表面上的微小波峰被擠平,使有效過盈減少;對于間隙配合,在零件工作過程中孔、軸表面上的微小波峰被磨去,使間隙增大,因而影響或改變原設計的配合性質。對靜配合表面,應控制或以及表面的形狀誤差;對熱壓配合表面,還應控制波紋度的深度和間距,但不必控制形狀誤差。    通常可按不大于1/2公差帶的要求。但對于小尺寸的間隙配合則需另行考慮。

<3>對耐疲勞性的影響

影響摩擦表面的抗接觸疲勞能力:

接觸疲勞分宏觀點蝕與微觀點蝕兩類。表面形貌對前者沒有什么影響,主要影響后者。膜厚比越大抗微觀點蝕的能力愈強,壽命愈長。

還有粗糙度峰頂曲率半徑和輪廓的均方根斜率都對微觀點蝕有很大影響。的比值愈低,愈大,壽命也愈低,但膜厚比大于3-4以后就不受這兩者的影響了。實驗證明,在兩個表面硬度相差較大的情況下,軟表面的幾何形貌不必控制,只需控制硬表面。另外在表面輪廓的頻譜中,對大于赫茲接觸寬度的大間距分量不必控制,只需控制小間距的那些粗糙度分量。還要特別注意那些突出的深谷,要單獨給予控制而不能依賴統計參數。

影響零件的彎曲或拉伸疲勞壽命:

對動應力表面,要嚴格控制突出的溝槽和裂紋,愈是處于淺表面的愈重要。不能依賴統計參數,最好采用單值高度單數,如或以及和的比值。此外,最好使紋理方向與應力流線相平行,也與谷底的曲率半徑有關。

對靜應力表面,因為它對應力集中不敏感,通常只要控制或即可。

總之,對于承受交變應力作用的零件表面,疲勞裂紋容易在其表面輪廓的微小谷底出現,這是因為在微小谷底處產生應力集中,是材料的疲勞強度降低,導致零件表面產生裂紋而損壞。

<4>對表面接觸剛度的影響

由于表面的凹凸不平,實際表面間的接觸面積有的只有公稱面積的百分之幾。接觸面積愈小,單位面積受力就愈大,粗糙峰頂處的局部變形也愈大,接觸剛度便會降低,從而影響到機件的工作精度和抗振性。因此需要控制表面輪廓峰頂的形狀,峰頂曲率半徑,輪廓峰的密度,以提高接觸剛度。

<5>對抗腐蝕性的影響

在零件表面的微小凹谷處,容易殘留一些腐蝕性的物質,它們會向零件表面層滲透,使零件表面產生裂紋而損壞。

<6>對表面密封性的影響

對于靜密封表面,應控制垂直于泄露方向的表面粗糙度和波紋度、輪廓支承長度率以及形狀誤差。紋理方向要與泄露方向垂直,并限制波紋距,也不應有突起的峰和深谷否則在密封面留下微隙會引起滲漏。

對于動密封表面,由于有相對運動,表面間含有潤滑油層,表面不能太光滑,以便貯油,其他要求與靜密封相同。經過鋼球噴射后的表面上形成很多小坑,有如細密分布的油池,是理想的密封軸的表面。

<7>對表面涂層質量的影響

對于電鍍的基體表面,建議采用車削或端銑,而不用磨削,并控制紋路間距和溝槽截面形狀,以使鍍層牢固。同時也要控制表面粗糙度和波紋度的大小。

對于涂漆的基體表面,基于同樣理由,也要控制紋路間距,如汽車上的冷軋薄鋼板就提出了這個要求,以提高金屬板的噴涂特性和噴涂表面的美觀。

<8>對滾動軸承噪聲和振動的影響

對于滾動軸承的噪聲振動,滾道波紋度的狀況要比表面粗糙度的影響大。此外,由于赫茲接觸主要與中線以上的輪廓相關,因而表面質量的優劣可主要根據波峰部分的輪廓而不是谷部輪廓來判定。個別深而窄的谷底形狀對疲勞壽命也有影響,但對噪聲振動不重要。

 

3表面粗糙度控制在發動機制造中的應用 

3.1氣缸孔支承長度率的含義及測量 

如圖1,氣缸孔經過珩磨后,對其珩磨表面除了粗糙度和波紋度的要求外,還有三個磨削標準要控制,它們是:

 

圖1氣缸孔珩磨表面粗糙度測量工藝圖

磨合標準:1μ≤C2%-C20%≤3μm

運行標準:1.5μ≤C20%-C80%≤3μm

潤滑標準:1.5μ≤C80%-C98%≤2.5μm

它們的含義為:

磨合標準:缸孔表面輪廓頂部的部分,當發動機開始運行時,將很快要被磨損掉,其減低的高度將影響缸孔進入正常工作狀態的磨合時間及實際材料磨損量。因此其產品規定了該輪廓頂部的深度必須在1μm到3μm之間,若該深度小于1μm時將影響缸孔進入正常工作狀態的磨合時間,若該深度大于3μm時,將加大缸孔實際材料磨損量。

運行標準:缸孔表面輪廓核心部分深度,是缸孔長期工作的表面,它影響汽缸的運轉性能和使用壽命。產品規定了該輪廓核心部位的最佳深度在1.5μm 到3μm之間最合適,當深度小于1.5μm時,將縮短缸孔的使用壽命,當深度大于3μm時,將影響缸孔的運轉性能。

潤滑標準:缸孔表面輪廓延伸到材料內的輪廓部分,這些深入零件表面的深溝槽在活塞環相對缸孔運動時,有利于形成附著性能很好的油膜,在減少摩擦損失的同時,大幅度降低油耗。產品規定了該輪廓部分的最佳深度必須在1.5μm到2.5μm之間,若該深度小于1.5μm時將影響油膜的深度,摩擦損失增大,若該深度大于2.5μm時,將影響活塞在缸孔的運行速度。

評價缸孔表面質量的這三個標準是基于缸孔表面未濾波的輪廓來進行計算評價的。其計算方法為根據產品給定的2個支承長度率來計算這2個支承長度率之間的深度差。其中C2%主要是為了去掉那些不影響產品性能的孤立的波峰,C98%主要是為了去掉那些不影響產品性能的孤立的波谷,保證測量結果的重復性,C20%、C80% 根據缸孔表面平臺珩磨工藝的特點及缸孔材料并進行長期的臺架試驗總結出的最能反映產品質量狀態的兩個參數。

 

3.2曲軸各個軸頸表面狀態參數的含義及測量

如圖2,曲軸各個軸頸表面在拋光以后采用綜合參數、、、、來表征曲軸軸頸表面磨削質量。

——簡約峰高(峰頂的降低),即曲軸表面輪廓頂部的平均高度。當發動機開始運行時,將很快被磨損掉,其減低的高度將影響曲軸進入正常工作狀態的磨合時間和實際材料磨損量。

——粗糙度核心輪廓深度(中心峰谷高度),是曲軸長期工作的表面,它影響曲軸的運轉性能和使用壽命。

——簡約谷深(谷底的降低),這些深入曲軸表面的深溝槽在曲軸與軸瓦相對運動時,有利于形成附著性能很好的油膜,在減少軸與瓦的摩擦損失的同時,能大幅度降低油耗。

——輪廓支承長度率(金屬材料率),是曲軸進入長期工作狀態時的輪廓支承長度率,其數值大小直接反應了零件的加工水平和使用壽命性能。

——輪廓支承長度率(金屬材料率),是曲軸脫離長期工作狀態時的輪廓支承長度率,其數值決定了工作表面的貯油、潤滑能力,即曲軸各個軸頸正常的磨損量。

評價曲軸表面質量的這五個參數是基于曲軸表面已濾波的輪廓來進行計算評價的。濾波的目的是允許曲軸軸頸有輕微的波動或不損害曲軸運轉功能的小凸起。因為考慮了已濾波,因此產品在定義這些參數時給出的值較低。TU系列曲軸表面綜合參數的值。見表1:

表1  TU系列曲軸表面綜合參數值   單位:

參數名稱






名義值

<0.2

<0.5

0.12—0.9

<15%

>80%

基于輪廓支承長度率曲線曲線的綜合參數很多,在生產實際中,僅僅選用了與使用性能密切相關的參數、、、、。并且、、的相關性并不相同,可以分別利用它們或單獨評定波峰區、中心區、波谷區。如我們在評定返銷TU5jp4曲軸軸徑時僅用、;在評定自制TU5jpk曲軸軸徑用、、 、、。

 

圖2曲軸各個軸頸表面粗糙度測量工藝圖

 

3.3缸體頂平面粗糙度要求測量分析

缸體頂平面粗糙度要求為, 代表被測表面為有密封墊的靜態密封狀態,處于靜態密封狀態的零件表面,必須控制零件表面結構參數:、、、、。對于TU5系列缸體的頂平面采用的加工工藝為平臺珩磨頂平面,平臺珩磨頂平面工藝可完全保證參數、、在滿足要求的范圍內,故僅控制粗糙度在2.5—5之間,波紋度小于4即可滿足產品要求。

若要采用其它的加工工藝加工缸體頂平面,除了要檢測、外還必須檢測參數、、看是否在滿足產品要求的范圍內,只有5個參數都合格,才能證明該表面質量符合產品要求。

在2014年6月,東風商用車在國產化氣缸體毛胚時,珩磨后的缸體頂平面粗糙度總是達不到要求,,在調整機床,分析原因時,檢測了前道工序—精銑頂平面后的缸體頂平面粗糙度,發現精銑后的缸體頂平面粗糙度都在4左右,波紋度也在4以下,于是就有人向工藝人員提出,既然精銑后的缸體頂平面粗糙度能夠滿足產品技術要求,可以取消缸體頂平面珩磨工藝。降低生產成本,提高生產效率。工藝人員找到緩慢偏差測量間的測量人員,測量人員測量了3件精銑頂平面的零件和1件珩磨頂平面的缸體,精銑頂平面的零件的、都合格,但其隱含參數、、測量結果都大于產品對缸體頂平面的質量要求,測量數椐如下表2。

表2:精銑頂平面和珩磨頂平面表面參數測量結果對比  單位 :

參數

合格標準

精銑頂平面

珩磨頂平面


2—5

4.4712

1.8760


≤4

2.0789

0.7193


≤10

15.2331

5.3182


≤8

8.3120

2.6195


600—800

1153.6

787.9576

通過測量數據的對比說服了他們珩磨頂平面加工工藝是不能取消的。

隨著加工技術的發展,如果說采用新工藝、新材料、新刀具后零件加工質量能夠達到產品技術要求,還是要大膽采用新技術,以降低生產成本,提高企業競爭力。

 

3.4排氣管缸蓋結合面粗糙度測量分析

如圖3,排氣管缸蓋結合面粗糙度;表示該表面與缸蓋排氣面為固定裝配的靜態密封。由于該表面加工為大進給量銑削成型,又是密封面,因此在控制粗糙度和波紋度的同時,還需要控制、值,既、,該零件才滿足產品質量要求。該表面質量看似要求很低,實際上如果不嚴格執行換刀頻次,就很容易超差。在日常的生產過程中經常發現其波紋度超差,但其粗糙度往往很低,以前一段時間的一次測量結果為例,見表3。

表3 排氣管缸蓋結合面粗糙度波紋度測量結果  單位:


合格標準

測量結果

R

≤16

4.3265

W

≤16

25.8736

Rx

≤32

12.1522

Aw

≤2500

2635.4

這種情況下,必須及時換刀具,調整進給量及切削速度。

排氣管缸蓋結合面表面質量還會出現另一種質量現象,就是局部很粗糙、另一局部很光滑,產生這種現象的原因為刀具在加工零件過程中產生了劇烈振動,要檢查刀具主軸部分。排氣管缸蓋結合面表面質量是非常關鍵的測量目,一旦超差就容易造成結合面漏氣現象。

 

圖3排氣管缸蓋結合面粗糙度測量工藝圖

 

3.4排氣管缸蓋結合面粗糙度測量分析

如圖4,飛輪磨擦面表面質量要求為,表示零件表面的配合方式為干摩擦,干摩擦的配合方式對零件表面波紋度要求較高,因為它直接影響了零件的使用壽命,所以它除了控制粗糙度和波紋度外,還有隱含質量標準粗糙度間距和波紋度間距要求,由于該摩擦面為車削成型,實際上要達到3μm這個波紋度要求是比較困難的,在日常過程控制中經常發現該測量項目超差,一般這個波紋度僅能達到3.5μm左右。

 

圖4飛輪磨擦面表面粗糙度測量工藝圖


4總結

表面形貌極大地影響著零件的使用性能,合理地表征和評定表面形貌是一項具有重要意義的課題,表面粗糙度理論及標準在不足百年的時間內得到了巨大的發展,隨著當今微機處理技術、集成電路技術等的發展,出現了輪廓法、圖形法、功能參數集法、時序分析法、最小二乘多項式擬合法、濾波法、分形法等各種評定方法,取得了很大的進展,像輪廓法、圖形法、功能參數集合法三種方法已經在汽車制造行業得到了廣泛應用,時序分析法、最小二乘多項式擬合法、濾波法、分形法正在汽車行業試驗應用,但這些方法目前都只能得到真實表面的有限信息,仍然存在一些問題有待完善:如:表面輪廓微觀統計特征的全面準確描述問題;表面輪廓為隨機過程,評定參數的值并不確定,由此產生了測量不確定性問題;評定參數的相互關系以及參數數目越來越多的參數爆炸問題;表面輪廓的測量結果受測量基準和儀器分辨率影響的問題;表面粗糙度參數與使用性能不能完全對應的問題。但隨著汽車工業的高速發展,這些問題終將被解決,越來越多的表面粗糙度評定方法及參數將得到廣泛應用。

在論文中稍有不足之處在于對所列舉的生產實例分析不夠全面及深度也稍顯不足;另一方面,在寫論文過程中所采集到的數據未能充分列出。

隨著科技的發展,人們對產品質量的要求不斷提高,傳統的表面粗糙度二維評定已經不能適應社會生產的需要,表面粗糙度的三維評定將成為表面質量評定的必然趨勢,表面粗糙度的測量方法也將向高速、高效的光學非接觸方向發展。同時,希望論文不足之處在今后能得到完善。


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