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广义粗糙参数与性能关系系统分类研究

NEWS.C-CNC.COM 2008-1-16 来源：阅读：次

1 引言

80上代后期，微型机械得到迅猛发展。微型机械系统的整体尺寸分布在几微米到几毫米之间。当机械系统的尺寸发生如此显著的缩小变化后，许多微观机械系统的物理现象和宏观机械系统的相比有很大差别，例如力的尺寸效应和表面效应在微观领域内将起重要作用。在微小尺寸领域内，与尺寸低次方成正比的作用力如静电力(L⁰)、表面张力(L¹)、粘性力(L²)的作用相对增大，而与尺寸高次方成正比的作用力如惯性力(L³)、惯性矩(L⁵)的作用相对减弱，这种转换结果之一是微领域的微摩擦机理和宏领域的宏摩擦机理就有所不同。微摩擦主要是克服表面间的原子或分子吸引力，而宏摩擦主要是克服表面间的弹、塑性变形。由此可见，无论是微领域还是宏领域，表面粗糙度对摩擦的影响至关重要。虽然表面粗糙度强烈地影响着表面间的相互作用，然而，对于众多的结构、形状参数，很重要的一点是确定哪些粗糙度结构和参数是起决定作用的，而哪些是不相关的。目前，这一方面仍存在相当的混乱。本文的系统分类框架尝试给出一个规范的表面性能、广义粗糙度参数之间的相互关系图。

2 表面粗糙度的作用

从静态的角度看，不管是简单机械还是复杂机械，机械均由各种各样的表面组成。定义1—物理表面：由几何表面、精度、表面缺陷三要素组成。定义2—形式机械：物理表面相互联系、相互作用的综合。根据定义1和定义2，可以把机械设计、机械制造、机械装配与物理表面之间的关系综合成如图1所示。

图1 表面与设计、制造、装配关系图

图2 微车刀加工轮廓与频谱

从图1可知，物理表面在机械设计、制造、装配关系中处于中心位置。通过机械加工可获得物理表面，物理表面的粗糙度参数包含有加工设备、加工方法的信息。以微车削工艺为例说明，如图2所示，分别表示微车削车刀的理想形状、加工得到的周期性轮廓及其对应频谱和微损微车削车刀的形状、加工得到由理想轮廓和微损轮廓合成的周期性轮廓及其对应频谱。比较两者的频谱可知；表面粗糙度频谱函数幅值的变化非常敏感地反应出加工状态的改变。

a:热量 b:位移 c:振动 d:刀具磨损 e:积屑瘤 f:微崩刃
图3 微车削下某表面的功率谱

图3全面给出了微车削工艺条件下某物理表面的功率谱。功率谱左侧的a、b、c谱线反映了与加工车床有关的信息，如轴承振动等。功率谱右侧的d、e、f谱线反映了与加工过程参数有关的信息，如刀具磨损、进给量的大小等。因此，完全有可能通过分析表面粗糙度功率谱信息来提取机械加工状态特征，控制机械加工过程，提高生产效率，降低生产成本。机械装配是物理表面相互联系的实现。物理表面相互关系众多，按照接触方式分类，可以分为单一表面接触、双表面接触、三体表面接触等几类。单一表面有需要涂漆的表面等，双表面接触有需要考虑干摩擦、摩损、相互配合性质的表面等，三体接触表面有需要考虑如含有润滑液介质的表面等，不同的表面接触，对粗糙度参数应有不同的要求。在机械设计阶段，通过分析设计要求、功能分解、成本估算等概念设计过程，可以粗略地规定出物理表面三要素。由于物理表面的相互作用、能量的传递、力的传递都是通过表面的接触进行的，物理表面的结构、形状对表面工作性能有重要影响，因此，从理论上说，根据物理表面三要素可以预测表面工作性能。受测试仪器、理论发展的限制，要根据某一粗糙度参数精确分析、预测某一性能尚存在相当大的困难，但有一点是可以提前做的，也是很有必要做的，即把目前比较零乱的各种物理表面性能进行规范、统一地整理，系统地组织表面性能与粗糙度参数类之间的关系。图4根据物理表面相互接触间距、边界相对运行速度给出了一个表面各种性能的系统树形分类图。

图4 性能、参数分类框架

3 广义粗糙度参数与性能关系讨论

对于性能与粗糙度参数关系研究问题，最理想的结果是建立它们之间一一对应的关系，根据特定的性能确定特定的参数，根据特定的参数预测特定的性能。然而在目前，这是不可能的，所能研究的是性能与粗糙度参数类的关系。同时，还应当注意到，试图仅用常规的粗糙度参数来完成性能与粗糙度参数关系研究也是相当困难的。因此，有必要引入一些与性能有关的其它参数。

定义3—广义粗糙度参数

广义粗糙度参数＝［易测性粗糙度参数(YC)、功能性粗糙度参数(GN)、奇异性粗糙度参数(GY)、特殊性粗糙参数(TS)/限于精细加工的表面］

易测性粗糙度参数通常指国际GB1031-83规定的三个高度参数R_a、R_z、R_y，二个横向参数S_m、S和轮廓支承长度参数t_p。功能性粗糙度参数通常指与性能有较大相关性的参数。它的选择具有较大的灵活性，例如轮廓曲率半径ρ和高度分布均方差σ在判断接触点是否发生弹、塑性变形时很重要。令：

(1)

式中 E—复合弹性模量

H_s—较软表面硬度

s—高度分布均方差

r—曲率半径

当j＞1时，物理表面发生塑性变形为主；当j＜1时，物理表面发生弹性变形为主。在研究摩擦、磨损性能时，分形维数D是一个很重要的功能性粗糙度参数。令

(2)

式中y—与材料特性有关的常数

e—自然指数

应存在一个最优值D^*使得等式(2)左、右相等。当粗糙表面的分形维数为D^*时，表面是最耐磨的，表面的磨损最小，并可预测磨损量的大小。在有润滑液的流动时，表面的平面分布十分重要。分布方向与流动方向一致，则有利于流体的流动，反之，则阻碍流体的流动。平面分布特性参数用Lc表示。令

	(3)
	(4)

式中 P_{(w₁，w₂)}—物理表面功率谱

当Lc＝1时，表面各向同性；当Lc＝0时，表面各向异性。最近的研究表明，粗糙表面具有分形特性，即非平稳性、奇异性。表面的奇异性尤其是峰轮廓的奇异性对表面的性能影响很大，例如要求过盈装配时，少量特别尖锐的凸峰的存在，容易挤损导致改变配合性质。这种凸峰的突变程度可以用奇异指数α表示，所以本文特别提出奇异性粗糙度参数概念，用以表征突变程度、突变点的位置等，奇异指数α可以用小波工具求得。特殊性粗糙度参数包含表面的物理特性、材料特性、化学特性、表面缺陷等，这些特性均对表面性能有重要作用。广义粗糙度参数概念的提出，有利于全面建立参数、性能的复杂关系。下面选择几个性能模块，具体地讨论性能与广义粗糙度参数之间的联系。

对于第二性能模块，物理表面处于静止、致密接触状态。电导、热导性能显然与材料的电导率和表面的化学膜有关，同时也与接触点的数量、面积有关。当高度分布均方差σ、曲率半径ρ较小时，化学膜对电导性影响起主导作用。在一般情况下，要求曲率半径ρ较大，以刺破化学氧化膜的生成。从微观的角度看，两表面的实际接触是通过众多的微凸体的相互接触实现的。微凸体是发生塑性变形还是发生弹性变形，与微凸体的顶尖形状有很大关系。在同样压力下，尖的峰顶微凸体容易发生塑性变形，钝的峰顶微凸体容易发生弹性变形，而平均效应是发生塑性变形还是发生弹性变形应由式(1)判断。本模块选了R_a、s、r等为其重要参数，由此可以看出，貌似不同的性能却能综合在一起考察粗糙度参数类。这也是本文的显著特点之一。

对于第六模块，在动态润滑条件下，相互接触面间存在着一层油膜。为了保护油膜不受破坏，要求表面微凸体的峰尖不能刺穿油膜。油膜刺穿就有可能导致两表面局部直接接触，干磨擦生热，润滑油粘性下降，油膜厚度进一步减少，表面直接接触的机会更多，最终可能导致胶合失效。因此，本模块特别增选了奇异指数a。

对于第七模块，它的性能主要取决于表面的缺陷。表面缺陷如材质的均匀性、应力分布、杂质、破损等，这些缺陷通常可以修补。但微裂纹由于初始非常细微且分布在谷地，通常很难检测到，同时工作中易于扩大发展。它的发生是突然的和灾难性的，因此有必要引入故障高级诊断技术中的关联系数h表示微裂纹的程度，以保证表面工作的安全性。

其它性能模块的参数配置可参阅图4。

4 小结

文中提出了广义粗糙度参数新概念，对表面性能的研究引入了分形维数、奇异指数、关联系数等最新知识。在文中性能分类基础上，建立了粗糙度参数类的关系框架。这种框架的构造，是性能与粗糙度更集约关系框架构造的基础，同时，也是研究新一代集成式性能、粗糙度参数测试虚拟仪器的基础。