隨著制造業(yè)界對(duì)粗糙度這一質(zhì)量指標(biāo)認(rèn)識(shí)的不斷深化，用於表面微觀形狀誤差定量表述的粗糙度評(píng)定參數(shù)也日趨豐富和多樣化，目的是能夠更有針對(duì)性地描述微觀高低起伏的不同形態(tài)和程度對(duì)產(chǎn)品有關(guān)功能的影響。 

必須指出，在這一點(diǎn)上，各個(gè)工業(yè)化國(guó)家和標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)加以規(guī)范，并在很大程度上趨於一致。 

而那些從事研制和生產(chǎn)粗糙度測(cè)量?jī)x的專業(yè)廠商，也及時(shí)紛紛推出適應(yīng)、具備各種評(píng)定參數(shù)檢測(cè)能力的新穎儀器，也促使用戶對(duì)其產(chǎn)品提出了更高要求，或是在對(duì)產(chǎn)品實(shí)施改進(jìn)之後能予以有效監(jiān)控。 

以上這一連串的過(guò)程，真正體現(xiàn)了現(xiàn)代化制造業(yè)界的一種技術(shù)進(jìn)步，其間，相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)則起了推波助瀾的積極作用。 

傳統(tǒng)評(píng)定參數(shù)的局限性 

1.何為傳統(tǒng)的粗糙度評(píng)定參數(shù)？ 

按幾何特性，粗糙度評(píng)定參數(shù)可分為：高度（有時(shí)也稱為“振幅” ）、間距和形狀（有時(shí)也稱為“材料比例” ）等三類。 

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1031-95中，規(guī)定了3個(gè)高度、2個(gè)間距和1個(gè)形狀共6項(xiàng)評(píng)定參數(shù)：輪廓算術(shù)平均偏差Ra、微觀不平度10點(diǎn)高度Rz、輪廓zui大高度Ry（高度類）；輪廓微觀不平度平均間距Sm、單峰平均間距S（間距類）以及輪廓支承長(zhǎng)度率tp（形狀類）。 

該標(biāo)準(zhǔn)還明確說(shuō)明，三項(xiàng)高度參數(shù)是主要的。事實(shí)上，多年來(lái)zui為國(guó)內(nèi)制造業(yè)界熟悉、并廣泛應(yīng)用於對(duì)工件表面粗糙度進(jìn)行評(píng)定的，也確實(shí)是振幅類參數(shù)，尤其是其中的Ra、Rz。 

若作一番比較，Ry由於只由取樣長(zhǎng)度內(nèi)兩點(diǎn)的高度信息所決定，其代表性較差，而相比之下Ra的代表性顯然是的。 

但對(duì)於工件的有些功能性來(lái)講，如疲勞強(qiáng)度，Ry和Rz就要比Ra更易於反映，故近年來(lái)Rz的出現(xiàn)在增多。 

2. 傳統(tǒng)方式的局限性 

盡管如此，隨著對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，上述傳統(tǒng)的粗糙度評(píng)定參數(shù)的局限性也越來(lái)越多地暴露了出來(lái)。 

圖1中，a、b兩個(gè)表面有著*不同的微觀結(jié)構(gòu)，但按照評(píng)定參數(shù)Ra、Rz和Ry（即Rt）所規(guī)定的采樣和資料處理方式，對(duì)表面a和表面b測(cè)量後獲得的數(shù)值都是一樣的，從而會(huì)得出表面粗糙度的評(píng)定結(jié)果相同的結(jié)論。

 
圖1 傳統(tǒng)評(píng)定參數(shù)的局限性（1）

這顯然很不合理，因?yàn)閳D1a的表面微觀結(jié)構(gòu)明顯容易磨損，故此時(shí)若仍用傳統(tǒng)的粗糙度評(píng)定參數(shù)，就難以做出正確的、切合實(shí)際的評(píng)價(jià)。 

類似地，輪廓算術(shù)平均偏差Ra的采樣和資料處理方式雖然代表性，也會(huì)造成把表面微觀形態(tài)特征*不同的被評(píng)定表面測(cè)得很接近的結(jié)果，如圖2。 

 
圖2 傳統(tǒng)評(píng)定參數(shù)的局限性（2）

雖然，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1031中也列入了非主要評(píng)定參數(shù)的“輪廓支承長(zhǎng)度率tp”，作為一種形狀、也即材料比例參數(shù)，能夠完善對(duì)工件表面微觀結(jié)構(gòu)的評(píng)定，但產(chǎn)品、零部件的功能性要求是各式各樣的，為了對(duì)表面的一些微觀特性有更加直觀、更有針對(duì)性的揭示和反映，近年來(lái)出現(xiàn)了眾多的粗糙度評(píng)定參數(shù)，并由相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范。 

負(fù)荷曲線與缸孔內(nèi)壁的粗糙度評(píng)定 

1.負(fù)荷曲線的定義 

標(biāo)準(zhǔn)DIN EN ISO4287引入了特性值“輪廓材料比Rmr（C）”（Roughness profile material ratio）和負(fù)荷曲線、又稱“材料比例曲線”（Material ratio curve）的概念，見(jiàn)圖3。

 
圖3 負(fù)荷曲綫與輪廓材料比Rmr（C）

在圖3b所示的負(fù)荷曲線中，其高度相當(dāng)於zui高峰頂線和zui低谷底線之間的垂直距離，即Rt，也就是國(guó)標(biāo)中的Ry，從兩者對(duì)材料比例的占有來(lái)看，正好是0和100%。 

而特性值Rmr（C）則為：

差異很大的表面微觀結(jié)構(gòu)將對(duì)應(yīng)不同的負(fù)荷曲線，這從圖4中可以看得很清楚。

 
圖4 負(fù)荷曲綫對(duì)表面微觀結(jié)構(gòu)的識(shí)別

然而，更為重要的還是由此派生出的那些有針對(duì)性的粗糙度評(píng)定參數(shù)，它們?cè)诜从澈捅O(jiān)控工件表面加工質(zhì)量時(shí)，發(fā)揮了十分重要的作用。一個(gè)有代表性的實(shí)例就是對(duì)缸孔表面的評(píng)定。 

2.負(fù)荷曲線應(yīng)用的典型實(shí)例 

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，除了承受的負(fù)載、運(yùn)動(dòng)的方式、零件的材質(zhì)和潤(rùn)滑劑的性狀外，零件表面的微觀形狀也對(duì)產(chǎn)品工作性能有著巨大影響。 

那麼，怎樣才能使經(jīng)過(guò)研磨加工的缸壁成為高耐磨的表面——既能降低油耗，還能通過(guò)減少摩擦來(lái)延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，并借助形成的儲(chǔ)油槽體系在工作面接近磨損極限狀態(tài)時(shí)起到保護(hù)作用呢？ 

德國(guó)通過(guò)制定標(biāo)準(zhǔn)DIN 4776，提出了一組粗糙度評(píng)定指標(biāo)。在之後的若乾年中，這一指標(biāo)先後被ISO組織和一些工業(yè)化國(guó)家所接受，并體現(xiàn)在相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，如ISO13565-2：1996和日本的JISBO671-2：2002中。 

圖5即為缸孔內(nèi)壁粗糙度的示意圖，從圖中可見(jiàn)，用於粗糙度評(píng)定的指標(biāo)有5項(xiàng)（不計(jì)那些傳統(tǒng)的評(píng)定參數(shù)），分別為：Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2。 

而整個(gè)評(píng)定過(guò)程建立在前面介紹過(guò)的負(fù)荷曲線、即材料比例曲線的基礎(chǔ)上。圖4中的Mr是用百分比表示的輪廓支承長(zhǎng)度率，其含義與前面引入的特性值“輪廓材料比Rmr（C）”是一致的，但從之後的介紹可知，作為粗糙度評(píng)定參數(shù)，只采用有特定含義的Mr1和Mr2。 

處理方式為：以一段支承長(zhǎng)度率為40%的直線，沿著負(fù)荷曲線的中段移動(dòng)，直到與曲線的擬合程度、且斜率為zui小時(shí)為止，然後把直線向兩端延長(zhǎng)，從而獲得zui重要的一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)Rk。 

客觀地講，缸孔表面經(jīng)研磨後，其負(fù)荷曲線的中段近似於直線（見(jiàn)圖5），因此上述過(guò)程還比較易於實(shí)現(xiàn)。

 
圖5 用於缸壁粗糙度評(píng)定的主要參數(shù)示意圖

從圖5可見(jiàn)，由對(duì)應(yīng)於Rk的兩截止線—也就是決定Rk高度的兩平行線與負(fù)荷曲線的交點(diǎn)，可得到Mr1和Mr2。再通過(guò)這兩點(diǎn)分別“左斜向上”、“右斜向下”，形成2個(gè)直角三角形，它們的頂點(diǎn)就決定了參數(shù)Rpk和Rvk。以深色陰影表示的2個(gè)三角形的面積應(yīng)與負(fù)荷曲線被截的面積相等。 

在這些評(píng)定參數(shù)中，Rk稱為中心區(qū)峰谷高度，又稱有效負(fù)荷粗糙度。從其形成機(jī)制來(lái)看，相對(duì)於給定的一個(gè)值，它對(duì)應(yīng)zui大的輪廓支承長(zhǎng)度率。故Rk的實(shí)質(zhì)是這部分的中心區(qū)深度將在高負(fù)載運(yùn)行中被磨損掉，但又能zui大程度地達(dá)到耐磨性。 

Rpk是超過(guò)中心區(qū)峰谷高度的輪廓波峰平均高度，又被稱為初期磨損高度，而Rvk是從中心區(qū)下限到有實(shí)體材料的輪廓波谷的平均深度，它反映了潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存深度，體現(xiàn)了摩擦付在高負(fù)載工況下的失靈保護(hù)。 

Mr1和Mr2分別為波峰、波谷輪廓支承長(zhǎng)度率，由輪廓中心區(qū)上、下截止線決定，其實(shí)Mr1表示了表面的初期磨損負(fù)荷率，而Mr2則為長(zhǎng)期磨損負(fù)荷率。 

下面是一組有代表性的缸孔內(nèi)壁粗糙度評(píng)定要求，來(lái)自某一汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠：Rk 1.5~3.0，Rpk 0.3，Rvk 0.9~1.6，Mr1 10%，Mr2 80~95%。 

3.負(fù)荷曲線系列參數(shù)的應(yīng)用情況 

在對(duì)缸孔內(nèi)壁進(jìn)行粗糙度檢測(cè)中，上述評(píng)定參數(shù)已得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)一些主流汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠和柴油機(jī)廠的調(diào)查，超過(guò)三分之二的單位已然采用，包括一些國(guó)有企業(yè)和民營(yíng)企業(yè)。至於仍然采用傳統(tǒng)的粗糙度評(píng)定參數(shù)的企業(yè)，多數(shù)是柴油機(jī)廠。調(diào)查中只發(fā)現(xiàn)一家內(nèi)燃機(jī)廠是選擇Rz和tp作為評(píng)定參數(shù)的。 

當(dāng)然，Rk、Rpk、Rvk、Mr1和Mr2的適用范圍并不只局限於發(fā)動(dòng)機(jī)的缸孔，在其他一些零件（如活塞），以及變速箱中一些零件（如同步器）中也早已應(yīng)用。近幾年，從歐美一些大企業(yè)的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸技術(shù)要求中發(fā)現(xiàn)，曲軸主軸頸、連桿軸頸表面粗糙度的評(píng)定項(xiàng)目中，也已包含了Rk、Rvk和Rpk等評(píng)定參數(shù)。 

軸承表面的粗糙度評(píng)定 

軸承作為重要的、使用zui廣泛的機(jī)械基礎(chǔ)件之一，為了確保其性能和額定的工作壽命，就對(duì)承載表面有著這樣的要求，即工作面上不能存在任何突兀的波峰。但是，另一方面，為了獲得較大的接觸面積，使表面承受的壓力分布均勻，在承載面上存在單個(gè)（即并非密集存在）波谷卻是*允許的。

 
評(píng)定參數(shù)Rp和Rpm的定義

鑒於此，標(biāo)準(zhǔn)DIN4762提出了粗糙度評(píng)定參數(shù)Rp和Rpm，并通過(guò)進(jìn)一步引入與已有的評(píng)定參數(shù)Rz的比值，也作為一項(xiàng)指標(biāo)，從而建立了可靠而又明確的識(shí)別、區(qū)分被測(cè)表面輪廓形狀的模式。從圖6可見(jiàn)，Rp和Rpm的定義有些類似於Rz： 

· Rp—評(píng)價(jià)長(zhǎng)度ln由5個(gè)相等的單個(gè)取樣長(zhǎng)度le組成，RP/1~RP/5分別是各個(gè)le范圍內(nèi)輪廓的zui高波峰至中心線的距離，稱為單峰高度，而zui大峰高Rp即為5個(gè)單峰高度中的zui大值。 

· Rpm—上述5個(gè)單峰高度的平均值就是Rpm，即

當(dāng)Rpm值較小時(shí)，表面微觀輪廓將呈現(xiàn)較寬的波峰和較窄的波谷，此時(shí)的峰頂會(huì)顯示弧形，而谷底則會(huì)顯示銳利狀。 

但這只是一種定性分析，為了能就被測(cè)表面的微觀形狀建立更有意義的定量識(shí)別模式，就要引入與另一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)Rz的比值這一指標(biāo)。當(dāng)比值RPM / RZ<0.5時(shí)，表面微觀結(jié)構(gòu)將為能滿足耐磨要求的弧形、較寬波峰狀（稱為“半圓形蜂窩狀輪廓”），而當(dāng)RPM / RZ時(shí)，輪廓將呈尖銳、較窄的波峰，耐磨性差。 

如同上文中介紹的Rk、Rpk等粗糙度評(píng)定參數(shù)，Rp、Rpm和微觀結(jié)構(gòu)識(shí)別模式的應(yīng)用其實(shí)還是較廣泛的，軸承類產(chǎn)品只是一個(gè)重要領(lǐng)域。在其他如導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)面，乃至在一些工件或產(chǎn)品表面進(jìn)行的噴涂、電鍍之前，也會(huì)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)提出類似的相關(guān)要求。 

連桿大頭孔的粗糙度評(píng)定 

1.大頭孔內(nèi)摩擦付的結(jié)構(gòu)及演變 

在發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞—連桿—曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，與後者中的曲軸連桿軸頸組成摩擦付的，并非是連桿大頭孔的內(nèi)壁，而是一對(duì)（兩半）軸瓦。 

連桿大頭孔不同於之前研究的缸孔，其內(nèi)壁和軸瓦乃是緊緊地貼合在一起，兩者之間不僅沒(méi)有高頻次的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且還要求在傳遞高負(fù)荷的扭矩時(shí)竭力避免出現(xiàn)滑動(dòng)，哪怕是很小的錯(cuò)移，以免影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。 

為此，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝上，采取了分別在兩片軸瓦和分體的兩半連桿上加工止口的方法，以防止產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。 

近年來(lái)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)界出於種種考慮，不斷改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和修改工藝，上述連桿軸瓦止口限位工藝已在一些企業(yè)的新產(chǎn)品中被取消，且這種情況逐漸在增多。 

顯然，這種簡(jiǎn)化了的結(jié)構(gòu)和工藝直接帶來(lái)了對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁與軸瓦之間的配合會(huì)提出更高的要求，zui基本的一點(diǎn)就是：被緊緊壓入孔中的軸瓦與孔壁必須有足夠的摩擦力，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中軸瓦不會(huì)有滑移。 

2.粗糙度評(píng)定 

為此，對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁的粗糙度提出了如下要求。 

· Rz A±a 
· PC min n （±C） 

*項(xiàng)評(píng)定參數(shù)的指標(biāo)值不同於習(xí)慣表示，而是要求Rz保持在一定范圍內(nèi)，以確保被測(cè)表面必須“粗糙”到一定程度。 

另一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)PC是從較早就已存在的二項(xiàng)由標(biāo)準(zhǔn)DIN4762、ISO4287確立的參數(shù)D和Sm衍生出來(lái)的，D稱為輪廓峰密度，是在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)，所測(cè)得的波峰和波谷的總數(shù)，而輪廓微觀不平度的平均間距Sm是波峰之間在中線方向上的平均距離，雖然不作為主要參數(shù)，但也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）規(guī)定的6項(xiàng)評(píng)定參數(shù)之一。 

由歐洲標(biāo)準(zhǔn)EURONORM 49-83E和相近的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B46.1提出的評(píng)定指標(biāo)PC被稱為“標(biāo)準(zhǔn)化的輪廓波峰統(tǒng)計(jì)”，有時(shí)簡(jiǎn)稱為“波峰計(jì)數(shù)（Peak Count）”，即在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)，超過(guò)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。 

但必須指出，計(jì)數(shù)原則為輪廓線都超出邊界的上下限，而且需要將評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)的PC轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度為10mm的標(biāo)準(zhǔn)距離。 

一般情況下，統(tǒng)計(jì)邊界位於中線的兩側(cè)，呈對(duì)稱狀，也就是C1=C2，當(dāng)然，用戶也可以根據(jù)自身的實(shí)際情況任意設(shè)定統(tǒng)計(jì)邊界。 

據(jù)此，我們就可以解讀評(píng)定指標(biāo)PC min n（±C）了，其含義是當(dāng)統(tǒng)計(jì)邊界為±C時(shí)，被測(cè)表面上10mm標(biāo)準(zhǔn)距離內(nèi)的波峰計(jì)數(shù)值PC必須大於n。舉一個(gè)實(shí)例予以說(shuō)明： 

· Rz=（8±3）μm 取樣長(zhǎng)度0.8mm，評(píng)定長(zhǎng)度4mm 
· PC min =170/cm統(tǒng)計(jì)邊界 ±0.3μm 

實(shí)際進(jìn)行粗糙度測(cè)量時(shí)，儀器只經(jīng)過(guò)4mm的評(píng)定長(zhǎng)度，但在評(píng)定時(shí)，需轉(zhuǎn)換到10mm的標(biāo)準(zhǔn)距離，并要求PC≧170，而統(tǒng)計(jì)邊界為±0.3μm。 

之所以要在連桿大頭孔的加工工藝中設(shè)置這樣的技術(shù)條件，目的就是確保當(dāng)軸瓦壓入後有足夠的摩擦力，確切地說(shuō)是粘合力，以抵御當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、連桿通過(guò)曲軸的連桿軸頸傳遞高載荷扭矩時(shí)不會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象。 

但類似前面介紹的一些評(píng)定參數(shù)，其實(shí)“波峰計(jì)數(shù)PC”在其他場(chǎng)合也有成功的應(yīng)用，尤其對(duì)於冶金行業(yè)一些特殊需要的鋼材，為滿足涂飾性技術(shù)要求，也已將它列為必檢的粗糙度評(píng)定指標(biāo)。 

結(jié)論 

粗糙度指標(biāo)是零部件技術(shù)要求的重要組成部分，但只有從產(chǎn)品功能特點(diǎn)出發(fā)，有針對(duì)性地設(shè)置評(píng)定參數(shù)，再進(jìn)行檢測(cè)，才能對(duì)被檢表面的微觀特性作出深刻的、正確的評(píng)價(jià)，從而確保產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)。 

隨著產(chǎn)品、工藝技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)表面微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深化，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)先行，不斷豐富粗糙度評(píng)定參數(shù)的品種，并利用不斷完善的儀器和資料處理模式來(lái)完成相應(yīng)的各項(xiàng)檢測(cè)，真正體現(xiàn)為制造業(yè)的一種技術(shù)進(jìn)步。