大眾動(dòng)力總成（上海）有限公司 朱正德

一、表面形貌特征的評(píng)定參數(shù)

一般來說，工件的表面形貌特征應(yīng)該包含粗糙度、波紋度和形狀誤差。但事實(shí)上，對(duì)工件表面形貌的檢測和評(píng)定，習(xí)慣性地理解為只是進(jìn)行表面微觀形狀誤差的定量表述，主要為粗糙度和波紋度，形狀誤差通常和位置誤差合稱，即“形位公差”，與尺寸誤差結(jié)合在一起作為宏觀測量的一部分。另一方面，傳統(tǒng)的、成熟的粗糙度、波紋度的檢測和評(píng)定，均只停留在二維的狀態(tài)，而事實(shí)表明，這往往是不夠的。為了能全面表述工件表面的微觀紋理結(jié)構(gòu)特征，在有些情況下，必須進(jìn)行三維測量，并制定相應(yīng)的、能準(zhǔn)確反映紋理結(jié)構(gòu)特征的評(píng)定參數(shù)。本文將以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件曲軸的配合面——法蘭外圓面為例，對(duì)上述情況作一說明。

迄今為止，絕大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠在進(jìn)行曲軸法蘭外圓面的微觀測量時(shí)，還是只檢測粗糙度這一項(xiàng)，如對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，粗糙度被規(guī)定測兩種，分別為Rz 3～6 和Rmax 8。

二、問題的提出

密封性是不少產(chǎn)品一項(xiàng)重要的質(zhì)量指標(biāo)，而為了確保能滿足這項(xiàng)技術(shù)要求，企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和加工質(zhì)量，尤其是結(jié)合部位的密封件選用、配合件表面尺寸和形位公差，以及粗糙度等種種因素都予以周密的考慮。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、水泵和機(jī)油泵一類動(dòng)力機(jī)械，更是在制造過程中設(shè)置了針對(duì)關(guān)鍵件和總成的泄漏檢測工位，以驗(yàn)證其密封性是否符合規(guī)定的指標(biāo)。盡管如此，隨著對(duì)轎車安全性要求的不斷提升，一些之前往往被忽視的現(xiàn)象也逐漸引起了關(guān)注，例如上述動(dòng)力機(jī)械在工作過程中腔體內(nèi)的工作介質(zhì)偶爾出現(xiàn)的微量外泄。圖1的曲軸即是一個(gè)典型的案例，其右端的法蘭面將與固定在缸體一側(cè)的后密封相配合。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩者之間的配合應(yīng)當(dāng)能夠有效地形成密封，因此腔體內(nèi)的機(jī)油不應(yīng)該滲出、外泄。但實(shí)際情況卻是，由合格零部件組成并經(jīng)過了裝配線上的總成泄漏測試工位檢驗(yàn)合格的發(fā)動(dòng)機(jī)，偶爾還是會(huì)出現(xiàn)機(jī)油滲出的現(xiàn)象。原因何在呢？

經(jīng)分析后表明，這正是由于曲軸法蘭回轉(zhuǎn)密封面上的螺旋線紋理結(jié)構(gòu)造成的，其過程就如同人們熟悉的螺旋輸送機(jī)構(gòu)將細(xì)碎的物料帶出一般。事實(shí)上，雖然作為回轉(zhuǎn)密封面的曲軸法蘭有著明確規(guī)定的尺寸、形位公差和表面粗糙度等要求，但由于缺失了對(duì)螺線結(jié)構(gòu)的監(jiān)控，而生產(chǎn)過程中利用壓降法或流量法對(duì)總成油腔的密封性檢驗(yàn)，盡管所利用的介質(zhì)——空氣的粘性系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)中的工作介質(zhì)（水，機(jī)油或汽油），因此作為檢漏方式而言，在靈敏度上完全適合，然而這種方法從本質(zhì)上講乃是一種靜態(tài)測試，與發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)有差異，故回轉(zhuǎn)密封面上一旦存在螺線紋理結(jié)構(gòu)時(shí)，出現(xiàn)機(jī)油微量外泄的情況就成為可能。

圖1 缸體的后密封法蘭配合

圖2 回轉(zhuǎn)面微觀形貌的精確測量

三、螺旋線的微觀構(gòu)造及其精確測量

利用高精度粗糙度測量儀可以對(duì)工件的回轉(zhuǎn)密封面進(jìn)行全覆蓋的微觀形貌檢測，以驗(yàn)證螺線紋理的存在與否。實(shí)施這項(xiàng)任務(wù)的前提是必須配備一個(gè)精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，以能提供精確的轉(zhuǎn)角進(jìn)給。圖2是一個(gè)實(shí)例，測頭沿軸向做直線運(yùn)動(dòng)，測量長度和采樣密度都是事先設(shè)定的，當(dāng)完成一次檢測后，轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，而返回原位的測頭又開始下一次的測量。一般情況下，選用的采樣密度為1/0.01 mm。 即每10 μm采集1點(diǎn)，若回轉(zhuǎn)面的長（寬）度為20 mm，就意味著將采集2000點(diǎn)；轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)間隔，即進(jìn)給量取5o，而為了確保全覆蓋的實(shí)現(xiàn)，需進(jìn)給73次，即在整個(gè)回轉(zhuǎn)面上做73次檢測，以獲得微觀形貌的全部信息。

當(dāng)然，對(duì)于像曲軸這類“長徑比”較大的軸類零件，除了可以采用圖2的臥式方法外（——此時(shí)還需加上一個(gè)尾架支承），也可以選用以圓度儀為主體的立式方法。在這種情況下，其原有功能就改變了，已不再用于測圓度，而是與圖2的儀器一樣，執(zhí)行對(duì)回轉(zhuǎn)面形貌的檢測，即測頭只是在軸向完成精密的測量。通過對(duì)大量具有螺旋線紋理特征表面的實(shí)例分析，歸納并建立了最能反映這種微觀結(jié)構(gòu)形貌特征的幾個(gè)參數(shù)，并研制了專用的軟件，即能對(duì)回轉(zhuǎn)面全覆蓋形貌的測量結(jié)果進(jìn)行甄別，又可以在確認(rèn)具有這種微觀構(gòu)造后的“程度”予以評(píng)價(jià)。

不同的企業(yè)集團(tuán)可以有自己的門檻值——評(píng)定指標(biāo)。圖3是一個(gè)實(shí)例，以三維形貌圖形顯示了對(duì)某一回轉(zhuǎn)面的檢測結(jié)果。注意：途中反映的只是從被測回轉(zhuǎn)面截取下來的一小塊，其水平方向代表了工件圓柱面的軸向，也即最下方的截形是測頭在檢測了一條母線后獲得的，而垂直方向則代表了回轉(zhuǎn)面沿圓周方向展開后的情況。至于高低起伏的程度，則既能從形狀予以定性判別，又可從色澤進(jìn)行定量的估計(jì)。

圖3 螺旋線紋理結(jié)構(gòu)的三維形貌

圖4 螺旋線紋理結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)

圖4是回轉(zhuǎn)面螺旋線紋理結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)示意圖，特征參數(shù)a、b、c、d的含義如下：

a.波長，以圖4為例，a1是第一波的波長，a2是第二波的波長。可以指出，這種情況有些類似于多頭螺紋的成形過程；

b.螺旋線的導(dǎo)程；

c.螺旋角；

d.螺旋紋理結(jié)構(gòu)的深度。

至于圖中的e表示了微觀構(gòu)造法向截面中的凹谷，正是它們的存在，才發(fā)揮了相當(dāng)于螺旋輸送機(jī)構(gòu)的作用。

事實(shí)上，專用的螺線紋理測量軟件另一項(xiàng)功能是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖4所示的三維形貌進(jìn)行自動(dòng)修正，即起一個(gè)“光順”的作用，只有在這基礎(chǔ)上才能求取相應(yīng)的特征量，以便于做出準(zhǔn)確的判斷。

朱正德.粗糙度評(píng)定參數(shù)多樣化提升對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控水平[J].上海:上海標(biāo)準(zhǔn)化,2009(2)