表面微觀結(jié)構(gòu)二維測量和三維測量的應(yīng)用分析
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至於對連桿大頭孔內(nèi)壁的評定要求，眼下多數(shù)國內(nèi)企業(yè)還只采用Ra或Rz，且通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，所設(shè)定的指標(biāo)值的分散性還較大，如在以Ra為評定參數(shù)時(shí)，從Ra0.2、Ra0.3到Ra1.6、Ra2.0都有?？梢姶藭r(shí)對孔壁微觀結(jié)構(gòu)的要求還是較寬松的。但如前所述，隨著近年來產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)，對連桿大頭孔內(nèi)壁的微觀結(jié)構(gòu)要求也在提高，以下表述的要求有一定代表性：1.Rz A±a；2.Rpc minn（±C）。
第一項(xiàng)評定參數(shù)Rz的值已不同於習(xí)慣表示，而是要求R保持在一定范圍內(nèi)，以確保被測表面必須“粗糙”到一定程度。另一項(xiàng)評定參數(shù)為Rpc（有時(shí)也被稱為PC），即“標(biāo)準(zhǔn)化的輪廓波峰統(tǒng)計(jì)”，也可簡稱為“波峰計(jì)數(shù)（Peak Count）”，即在評定長度內(nèi)，超過了所設(shè)定的統(tǒng)計(jì)邊界上限和下限（C1，C2）的波峰和波谷的數(shù)目，參見圖3。
圖3 三種常選的溝槽造型結(jié)構(gòu)示意
Rz=（8±3）μm
取樣長度0.8mm，評定長度4mm
Rpc min =170/cm
統(tǒng)計(jì)邊界 ±0.3μm
實(shí)際進(jìn)行粗糙度測量時(shí)，儀器只經(jīng)過4mm的評定長度，但在評定時(shí)，需轉(zhuǎn)換到10mm的標(biāo)準(zhǔn)距離，并要求≧Rpc 170，而統(tǒng)計(jì)邊界為±0.3μm。
激光造型工藝與成型表面的特點(diǎn)
激光造型作為一種新工藝，直到本世紀(jì)初才在其誕生地—汽車工業(yè)強(qiáng)國德國的少數(shù)企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，但在用於發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體缸孔和連桿大頭孔精加工等關(guān)鍵工序的實(shí)踐中，已經(jīng)充分顯示了這種先進(jìn)技術(shù)的很大優(yōu)越性。近年來，激光造型在歐洲汽車發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)界的應(yīng)用日益增多，并自2009年開始，進(jìn)入了國內(nèi)的主流汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，展現(xiàn)了它十分廣闊的巿場前景。
簡單地說，這項(xiàng)新技術(shù)就是利用激光頭所發(fā)出的數(shù)控激光光束在被加工表面制作出符合事先設(shè)定要求的表面微觀結(jié)構(gòu)的一種工藝方法。在實(shí)施表面造型的加工過程中，高能量的光束將有部分被工件表面反射、有部分則被吸收，被吸收的光束能在瞬間將材料加熱并使之達(dá)到氣化狀態(tài)。這種“激光刀”產(chǎn)生的光束的切削能力取決於脈沖頻率、功率、開關(guān)時(shí)間和進(jìn)給速度等。由於溫度升高是瞬間產(chǎn)生的，并且具有很高的能量聚集密度，因此光束只在一個(gè)有限的局部做瞬間切削，工件材質(zhì)的特性不會由此而產(chǎn)生變化。另一方面，粘結(jié)在工件表面上的冷卻劑殘余物將被蒸發(fā)或燃燒，也不會影響到激光光束切削的質(zhì)量。專用造型設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)能驅(qū)使激光頭做上下和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并對光束的開關(guān)時(shí)間和能量進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而使用戶能獲得不同要求的、可控的表面微觀結(jié)構(gòu)。
對於缸孔精加工工序而言，最終獲得的理想表面，應(yīng)該是一個(gè)既有較高光潔度的平臺結(jié)構(gòu)，又具有可控的、適量而又充足的微觀構(gòu)造，以使機(jī)油有較長的駐留時(shí)間和良好的流體動(dòng)態(tài)壓力。為此，在引入了這項(xiàng)新技術(shù)後，選擇的是規(guī)整、均勻的溝槽方案，具有交錯(cuò)斷續(xù)或交叉點(diǎn)坑的分布特徵。圖3是常選的三種溝槽構(gòu)造形式：袋狀（左）、杯狀（中）和塊狀（右）。上述結(jié)構(gòu)的一個(gè)共同點(diǎn)是無交叉、不連通，各溝槽相互之間沒有任何聯(lián)系，能有效存儲潤滑油而不易流失，便於形成均勻油膜，使摩擦付處於流體潤滑狀態(tài)。由此，既保證了足夠的潤滑，又阻止了過多的機(jī)油竄入燃燒室，還可減少應(yīng)力影響，對改善摩擦性能有很大好處。相比之下，傳統(tǒng)珩磨工藝在缸孔內(nèi)表面形成的往往是相互連通的網(wǎng)狀溝槽結(jié)構(gòu)，且表面粗糙度偏“粗”，導(dǎo)致儲油量過多。而采取鐳射造型工藝的結(jié)果是使?jié)櫥偷南牧繒休^大幅度的減少，涉及環(huán)保的指標(biāo)，如顆粒物排放和油粒排放則有明顯降低。圖4是采用這項(xiàng)新穎工藝加工的缸孔的實(shí)況，從圖中可見，真正實(shí)施鐳射造型的只是位元於承受高負(fù)載的缸孔上死點(diǎn)附近進(jìn)行的區(qū)域，以保證活塞環(huán)在該區(qū)域受到高負(fù)荷時(shí)的良好潤滑。
圖4 采用激光造型工藝加工後的缸孔
圖5 大頭孔圓周上的造型區(qū)
通過以上介紹可看到，經(jīng)激光造型形成的工件表面微觀構(gòu)造，與傳統(tǒng)的工件經(jīng)切削加工後的成型面有很大差別，最大的不同是後者為連續(xù)性的紋理結(jié)構(gòu)，而前者則具有斷續(xù)性、不連貫的特徵。兩者之間的這個(gè)差別導(dǎo)致在進(jìn)行檢測和評定時(shí)，若還是把二維測量、評價(jià)的方式用於執(zhí)行鐳射成形的工件表面就會產(chǎn)生較大誤差。一個(gè)顯見的事實(shí)是，如前所述，對工件加工面的技術(shù)要求，在若乾重要部位還需滿足相關(guān)工藝性能，指的都是配合面。 因此在理論上，當(dāng)進(jìn)行檢測和評價(jià)時(shí)也應(yīng)該把“面”作為對象，之所以無論國內(nèi)還是國外一直沿用二維測量方法，正是利用了傳統(tǒng)切削加工形成的工件表面所具有的這種連續(xù)性紋理結(jié)構(gòu)特徵，而采取的一種“簡化”方案。
圖6 經(jīng)激光造型後的工件表面示例
如圖中顯示的狀態(tài)，所得到的結(jié)果應(yīng)該是相同的，這只要從對應(yīng)於下方的二維測量截線就能看出。而事實(shí)上，即使就取圖中這一塊平面來看，左邊的袋狀構(gòu)造較之右邊的杯狀，其儲油空間要大的多。
即使是對同一個(gè)表面，只要稍稍移動(dòng)一下測針的測量軌跡，也會得出完全不同的結(jié)果。設(shè)想把左（或右）圖中的紅線稍稍下移，就會造成只測到一個(gè)溝槽、甚至測不著的情況，從而得出與圖6完全不一樣的評定結(jié)論，顯然以上者兩種情況都說明，此時(shí)若再沿用二維測量方式是不可行的。
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