表面粗糙度标准体系的完善及其在发动机生产中的应用

标签： (东风商用车有限公司 湖北省十堰市 邮：442001)黄硕

摘要：零件表面结构特征是由三部分组成的，即宏观的形状误差、微观的表面粗糙度及界于两者之间的表面波纹度。它所影响的主要方面有摩擦系数、磨损、疲劳强度、冲击强度、耐腐蚀性、接触刚度、抗振性、间隙配合中的对中精度、过盈配合中的结合强度、对光的反射性能、流体阻力、镀层质量等。为此零件的表面粗糙度是零件质量的重要表征之一。但国内对评定表面质量参数的选择及定义与国外发达国家存在着差异，这对于有关表面质量的新国标在合资企业的上的应用造成了困难。就东风商用车而言，其生产的发动机五大件中有关表面质量控制的相关参数使用的是法国标准。而从国内购置的外协零件采用的是国标，两者存在一定的差异，导致使用者使用上的不便。执行标准的不同，对零件的生产、零件的质量及性能都有很大的影响。

关键词：表面粗糙度轮廓；国家标准；演变；零件功能； 

Improved surface roughness standard system and application in Engine production

HUANG Shuo

(Dongfeng Comuercial Vehicle Co.,Ltd.,Shiyan hubei,442001)

Abstract：The structural character of the surface of a part consists of three elements, which are form error, which is macroscopic, surface roughness, which is microscopic, and the surface waviness between them. It can affect the aspects such as friction coefficient, abrasion, tiredness intensity, anti-causticity, touch inflexibility, counter-shake, center aligned precision in the clearance combination, the linking intensity in the ultra-combination, ability to reflect light, liquid resistance, plating quality and so on. Therefore, the surface roughness is a very important character for describing the part quality. However, domestic demand for the assessment of surface quality parameter selection and definition of developed countries there are differences, which on the surface quality of the new national standard in the joint venture on the application caused difficulties. For example: For DFCV factory, the production of engines for five pieces of surface quality control parameters using the French standard. We learn that the national standard, there are some differences between the two, leading us to use the inconvenience. Especially external cooperation, they are entrusted to other companies in Xing yang factory processing, perform a standard different from the part of the production, quality and performance of parts has a great impact.

Keywords: surface roughness profile；GB；evolution；part of features； 

1零件表面几何状态特性

    在现代工业生产中，一个零件的许多技术性能的评价常常依赖于零件表面特征的状况，零件表面的耐磨性、密封性、配合性质、摩擦力、传热性、导电性以及对光线和声波的反射性，液体和气体在壁面上的流动性、腐蚀性、涂层的附着力、振动和噪声等功能都与零件表面的几何特征密切相关。表面的形成机理及其特征取决于它的加工方式和工艺要求加工过程中任何条件的变化，包括刀具的磨损材料中的应力表面硬度的差异周围环境的变化以及不规范的工艺流程都将引起表面几何特征的变化，由此可见必须使用合适的加工方式和经济合理的工艺方法以获得能反映特定使用功能的*化的表面特征参数。

零件在制造过程中产生的表面几何形状以及加工后的实际表面形状与理想的表面形状总是存在一定的偏差，实际表面往往是一个很不规则的复杂表面其上有一系列的具有不同间距和高度的峰谷，实际表面对于理想表面的几何形状的偏差现今划分为三类，即形状误差、表面波度、和表面粗糙度。形状误差是指从表面整体形状观察分析表面的宏观特征，通常只包含一个或几个起伏不平，其起伏间距较大；表面波度则是表面上呈现出的周期性的起伏，其起伏间距较小；表面粗糙度指的是更小间距上的起伏；零件表面虽然从宏观上看是平直的但从微观上看是粗糙不平的，同一个加工表面往往受形状误差、波纹度和粗糙度这三类表面几何形状偏差的综合影响，即三类几何形状误差叠加在一起所形成的表面轮廓形状，虽然如此由于各类偏差形成的原因和特性以及它们与各种使用功能的因果关系均不相同。

表面粗糙度反映的是零件表面上的微观几何形状误差，是表征零件表面质量的重要技术指标。它对零件的下述主要功能产生影响：抗弯强度、疲劳强度、干摩擦性能、粘滞摩擦性能、流体摩擦性能、抗腐蚀性、抗磨损性、导热性、导电性、静态密封性和动态密封性等等；表面粗糙度在零件磨合期间影响较大，根据零件的功能选择加工方法时，应注意表面粗糙度和尺寸公差的精度等级之间通常存在一种密切的关系。表面粗糙度主要由加工过程中刀具和零件表面间的摩擦、切屑分离时表面金属层的塑性变形及工艺系统的高频振动等原因形成的。因为表面粗糙度对零件的使用性能有很大影响，所以要对零件表面提出表面粗糙度要求，制造零部件时也必须予以保证。但是，在零件加工过程中，由于机床、刀具、夹具、工艺、润滑、冷却及零件的结构、材料等因素的影响，使零件表面粗糙度产生各种缺陷，如最常见的：刀痕粗糙、鳞刺现象、表面波纹、划伤拉毛、高频率的振纹。这些缺陷的存在，往往使零件的表面粗糙度达不到产品的要求，严重时，导致零件功能的下降或丧失，因此必须采取相应的措施加以解决。

2零件表面粗糙度对产品性能的影响

表面粗糙度反映的是零件表面上的微观几何形状误差，是表征零件表面质量的重要技术指标。它主要对零件的功能产生以下影响：抗弯强度、疲劳强度、干摩擦性能、粘滞摩擦性能、流体摩擦性能、抗腐蚀性、抗磨损性、导热性、导电性、静态密封性和动态密封性等等。下面就对耐磨性、配合性质稳定性、耐疲劳性、抗腐蚀性的影响进行具体的分析。

<1>对耐磨性的影响

影响摩擦表面的抗磨料磨损能力：

表面抗磨料磨损的能力与其最大峰高RP以及支承长度率tp关系密切。另外，它还与谷底所占的体积率有关。轮廓谷起着存积磨粒的作用，一旦各部位不足以存积掉下来的磨粒时，则磨损过程将大大加速发展。

对于有润滑剂的表面，那些对油膜厚度有影响的粗糙度参数，自然会对抗磨料磨损能力起作用。如磨损率随粗糙度加大而加快，但在到达一定程度以后就趋向稳定；横向纹理比纵向纹理磨损快，但在粗糙度值较小时，纹理方向效应逐渐减小以至消失。

影响摩擦表面的抗胶合磨损能力：

磨损的另一种形式是胶合，分为热胶合与冷胶合。热胶合是粘着磨损中由温度诱因且居突出地位的一种磨损。通常发生在重载荷、高的滑速场合。冷胶合也是粘着磨损的一种，它不是由表面瞬时高温所引起的，而与峰点接触处的高压造成塑性流动最后形成粘连有关。

由于胶合的发生与润滑油膜的破裂有关，因此前述影响动压油膜的因素，在不同程度上也影响抗胶合能力。在同样的表面轮廓幅度下，波长愈大则抗胶合能力愈高；而在同样波长之下，不平度幅值增大时，抗胶合能力先提高，超过一定限度（油膜破裂）后开始急剧降低。

冷胶合大多发生在低速重载条件下，可以控制表面粗糙度的均方根的值和峰顶曲率半径来限制塑性指标，使其小于1以减少冷胶合产生的可能性。

简言之，相互运动的两个零件表面越粗糙，则它们的磨损就越快。这是因为这两个表面只能在轮廓的峰顶处接触，当表面间产生相对运动时，峰顶的接触将对运动产生摩擦阻力，使零件的表面磨损。

<2>对配合性质稳定性的影响

相互配合的孔、轴表面上的微观小峰被去掉后，它们的配合性质会发生改变。对于过盈配合，由于压入装配时孔、轴表面上的微小波峰被挤平，使有效过盈减少；对于间隙配合，在零件工作过程中孔、轴表面上的微小波峰被磨去，使间隙增大，因而影响或改变原设计的配合性质。对静配合表面，应控制Ra或Rz以及表面的形状误差；对热压配合表面，还应控制波纹度的深度和间距，但不必控制形状误差。    通常可按Rz不大于1/2公差带的要求。但对于小尺寸的间隙配合则需另行考虑。

<3>对耐疲劳性的影响

影响摩擦表面的抗接触疲劳能力：

接触疲劳分宏观点蚀与微观点蚀两类。表面形貌对前者没有什么影响，主要影响后者。膜厚比越大抗微观点蚀的能力愈强，寿命愈长。

还有粗糙度峰顶曲率半径的比值愈低，愈大，寿命也愈低，但膜厚比大于3-4以后就不受这两者的影响了。实验证明，在两个表面硬度相差较大的情况下，软表面的几何形貌不必控制，只需控制硬表面。另外在表面轮廓的频谱中，对大于赫兹接触宽度的大间距分量不必控制，只需控制小间距的那些粗糙度分量。还要特别注意那些突出的深谷，要单独给予控制而不能依赖统计参数。

影响零件的弯曲或拉伸疲劳寿命：

对动应力表面，要严格控制突出的沟槽和裂纹，愈是处于浅表面的愈重要。不能依赖统计参数，最好采用单值高度单数，此外，最好使纹理方向与应力流线相平行，也与谷底的曲率半径有关。

对静应力表面，因为它对应力集中不敏感，通常只要控制

总之，对于承受交变应力作用的零件表面，疲劳裂纹容易在其表面轮廓的微小谷底出现，这是因为在微小谷底处产生应力集中，是材料的疲劳强度降低，导致零件表面产生裂纹而损坏。

<4>对表面接触刚度的影响

由于表面的凹凸不平，实际表面间的接触面积有的只有公称面积的百分之几。接触面积愈小，单位面积受力就愈大，粗糙峰顶处的局部变形也愈大，接触刚度便会降低，从而影响到机件的工作精度和抗振性。因此需要控制表面轮廓峰顶的形状，峰顶曲率半径，轮廓峰的密度，以提高接触刚度。

<5>对抗腐蚀性的影响

在零件表面的微小凹谷处，容易残留一些腐蚀性的物质，它们会向零件表面层渗透，使零件表面产生裂纹而损坏。

<6>对表面密封性的影响

对于静密封表面，应控制垂直于泄露方向的表面粗糙度和波纹度、轮廓支承长度率以及形状误差。纹理方向要与泄露方向垂直，并限制波纹距，也不应有突起的峰和深谷否则在密封面留下微隙会引起渗漏。

对于动密封表面，由于有相对运动，表面间含有润滑油层，表面不能太光滑，以便贮油，其他要求与静密封相同。经过钢球喷射后的表面上形成很多小坑，有如细密分布的油池，是理想的密封轴的表面。

<7>对表面涂层质量的影响

对于电镀的基体表面，建议采用车削或端铣，而不用磨削，并控制纹路间距和沟槽截面形状，以使镀层牢固。同时也要控制表面粗糙度和波纹度的大小。

对于涂漆的基体表面，基于同样理由，也要控制纹路间距，如汽车上的冷轧薄钢板就提出了这个要求，以提高金属板的喷涂特性和喷涂表面的美观。

<8>对滚动轴承噪声和振动的影响

对于滚动轴承的噪声振动，滚道波纹度的状况要比表面粗糙度的影响大。此外，由于赫兹接触主要与中线以上的轮廓相关，因而表面质量的优劣可主要根据波峰部分的轮廓而不是谷部轮廓来判定。个别深而窄的谷底形状对疲劳寿命也有影响，但对噪声振动不重要。

3表面粗糙度控制在发动机制造中的应用

3.1气缸孔支承长度率的含义及测量

如图1，气缸孔经过珩磨后，对其珩磨表面除了粗糙度和波纹度的要求外，还有三个磨削标准要控制，它们是：

磨合标准：1μ≤C2%-C20%≤3μm

运行标准：1.5μ≤C20%-C80%≤3μm

润滑标准：1.5μ≤C80%-C98%≤2.5μm

它们的含义为：

磨合标准：缸孔表面轮廓顶部的部分，当发动机开始运行时，将很快要被磨损掉，其减低的高度将影响缸孔进入正常工作状态的磨合时间及实际材料磨损量。因此其产品规定了该轮廓顶部的深度必须在1μm到3μm之间，若该深度小于1μm时将影响缸孔进入正常工作状态的磨合时间，若该深度大于3μm时，将加大缸孔实际材料磨损量。

运行标准：缸孔表面轮廓核心部分深度，是缸孔长期工作的表面，它影响汽缸的运转性能和使用寿命。产品规定了该轮廓核心部位的最佳深度在1.5μm 到3μm之间最合适，当深度小于1.5μm时，将缩短缸孔的使用寿命，当深度大于3μm时，将影响缸孔的运转性能。

润滑标准：缸孔表面轮廓延伸到材料内的轮廓部分，这些深入零件表面的深沟槽在活塞环相对缸孔运动时，有利于形成附着性能很好的油膜，在减少摩擦损失的同时，大幅度降低油耗。产品规定了该轮廓部分的最佳深度必须在1.5μm到2.5μm之间，若该深度小于1.5μm时将影响油膜的深度，摩擦损失增大，若该深度大于2.5μm时，将影响活塞在缸孔的运行速度。

评价缸孔表面质量的这三个标准是基于缸孔表面未滤波的轮廓来进行计算评价的。其计算方法为根据产品给定的2个支承长度率来计算这2个支承长度率之间的深度差。其中C2%主要是为了去掉那些不影响产品性能的孤立的波峰，C98%主要是为了去掉那些不影响产品性能的孤立的波谷，保证测量结果的重复性，C20%、C80% 根据缸孔表面平台珩磨工艺的特点及缸孔材料并进行长期的台架试验总结出的最能反映产品质量状态的两个参数。

3.2曲轴各个轴颈表面状态参数的含义及测量

3.3缸体顶平面粗糙度要求测量分析

通过测量数据的对比说服了他们珩磨顶平面加工工艺是不能取消的。

随着加工技术的发展，如果说采用新工艺、新材料、新刀具后零件加工质量能够达到产品技术要求，还是要大胆采用新技术，以降低生产成本，提高企业竞争力。

3.4排气管缸盖结合面粗糙度测量分析

3.4排气管缸盖结合面粗糙度测量分析

4总结

表面形貌极大地影响着零件的使用性能，合理地表征和评定表面形貌是一项具有重要意义的课题，表面粗糙度理论及标准在不足百年的时间内得到了巨大的发展，随着当今微机处理技术、集成电路技术等的发展，出现了轮廓法、图形法、功能参数集法、时序分析法、最小二乘多项式拟合法、滤波法、分形法等各种评定方法，取得了很大的进展，像轮廓法、图形法、功能参数集合法三种方法已经在汽车制造行业得到了广泛应用，时序分析法、最小二乘多项式拟合法、滤波法、分形法正在汽车行业试验应用，但这些方法目前都只能得到真实表面的有限信息，仍然存在一些问题有待完善：如：表面轮廓微观统计特征的全面准确描述问题；表面轮廓为随机过程，评定参数的值并不确定，由此产生了测量不确定性问题；评定参数的相互关系以及参数数目越来越多的参数爆炸问题；表面轮廓的测量结果受测量基准和仪器分辨率影响的问题；表面粗糙度参数与使用性能不能*对应的问题。但随着汽车工业的高速发展，这些问题终将被解决，越来越多的表面粗糙度评定方法及参数将得到广泛应用。

在论文中稍有不足之处在于对所列举的生产实例分析不够全面及深度也稍显不足；另一方面，在写论文过程中所采集到的数据未能充分列出。

随着科技的发展，人们对产品质量的要求不断提高，传统的表面粗糙度二维评定已经不能适应社会生产的需要，表面粗糙度的三维评定将成为表面质量评定的必然趋势，表面粗糙度的测量方法也将向高速、高效的光学非接触方向发展。同时，希望论文不足之处在今后能得到完善。