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)定的指標值的分散性還較大，如在以Ra為評定參數(shù)時，從Ra0.2、Ra0.3到Ra1.6、Ra2.0都有。可見此時對孔壁微觀結(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，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。另一項評定參數(shù)為Rpc（有時也被稱為PC），即“標準化的輪廓波峰統(tǒng)計”，也可簡稱為“波峰計數(shù)（Peak Count）”，即在評定長度內(nèi)，超過了所設(shè)定的統(tǒng)計邊界上限和下限（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)計邊界 ±0.3μm
實際進行粗糙度測量時，儀器只經(jīng)過4mm的評定長度，但在評定時，需轉(zhuǎn)換到10mm的標準距離，并要求≧Rpc 170，而統(tǒng)計邊界為±0.3μm。
激光造型工藝與成型表面的特點
激光造型作為一種新工藝，直到本世紀初才在其誕生地—汽車工業(yè)強國德國的少數(shù)企業(yè)得到實際應(yīng)用，但在用於發(fā)動機汽缸體缸孔和連桿大頭孔精加工等關(guān)鍵工序的實踐中，已經(jīng)充分顯示了這種先進技術(shù)的很大優(yōu)越性。近年來，激光造型在歐洲汽車發(fā)動機業(yè)界的應(yīng)用日益增多，并自2009年開始，進入了國內(nèi)的主流汽車發(fā)動機生產(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)時間和進給速度等。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)運動，并對光束的開關(guān)時間和能量進行相應(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，以使機油有較長的駐留時間和良好的流體動態(tài)壓力。為此，在引入了這項新技術(shù)後，選擇的是規(guī)整、均勻的溝槽方案，具有交錯斷續(xù)或交叉點坑的分布特徵。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)的一個共同點是無交叉、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，如顆粒物排放和油粒排放則有明顯降低。圖4是采用這項新穎工藝加工的缸孔的實況，從圖中可見，真正實施鐳射造型的只是位元於承受高負載的缸孔上死點附近進行的區(qū)域，以保證活塞環(huán)在該區(qū)域受到高負荷時的良好潤滑。
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。兩者之間的這個差別導(dǎo)致在進行檢測和評定時，若還是把二維測量、評價的方式用於執(zhí)行鐳射成形的工件表面就會產(chǎn)生較大誤差。一個顯見的事實是，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，當進行檢測和評價時也應(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。
即使是對同一個表面，只要稍稍移動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，此時若再沿用二維測量方式是不可行的。
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