在以汽車工業為代表的批量生產制造業中，工件表面微觀結構的二維測量迄今仍處於主流地位，這主要是由所采用的工藝和已建立的完善的評定體系決定的。但近幾年，隨著鐳射造型等新工藝在一些重要工序中的應用日趨增多，表面微觀結構的三維測量也進入了實用階段，本文就相關的評定參數做了介紹，并通過實例分別對采用傳統檢測手段和先進的自動變焦光學方法進行三維測量做了描述。
工件的表面形貌包括了粗糙度、波度和形狀誤差，而表面微觀結構則主要指前二項，它們均為零件重要的質量監控指標。關於工件表面微觀結構的三維測量，國外早在上世紀***十年代已經做了不少前期工作。以檢測方式而言，就有藉助傳統的觸針/電感式粗糙度測量儀，通過增加一個精密工作臺產生橫向微量位移，以組成三維測量;此外還研究了數種不同原理的光學測量方法，如光切法、光學探針和乾涉顯微鏡">顯微鏡等。盡管在此基礎上開發的某些儀器也獲得了一些應用，但主要還是在電子(材料)、**等工業部門，且偏重於表面缺陷探測范疇。其實，迄止本世紀初，即使在工業化國家，表面微觀結構的三維測量也還沒有在那些主流制造業，如汽車行業中獲得真正的應用，原因何在呢?
眾所周知，檢測技術本質上講是服務於制造工藝的，是為了驗證工藝方法的執行效果。而觸針/電感型二維測量及其應用的評定參數至今仍然在國內外有著廣泛的應用，正是因為它尚能適應、滿足對批量生產條件下零件制造工藝執行效果的驗證。
二維測量用於工件表面微觀結構評定的技術分析
1.表面微觀結構與工件配合面的工藝性能
為了確保產品的質量和可靠性，在零部件制造過程中，企業必須嚴格遵循技術要求，并在事後進行驗證。以汽車發動機為例，幾乎所有存在配合關系的工件，對其相關表面都有一定的要求，尤其是那些關鍵部位，其配合面的狀態決定了所應具備的工藝性能，將直接影響發動機的運行質量。下面通過發動機中的汽缸體缸孔和連桿大頭孔兩個案例進行探討。
作為發動機中那些重要的摩擦付，配合面的狀態是否符合要求至關重要，在諸多影響因素中，除了表面硬度、宏觀幾何精度外，配合面的微觀結構更是往往會決定相關的工藝性能。例如，對於缸孔來說，通常情況下，經過珩磨加工後的工件表面應同時具備這樣兩項功能，一方面需要具有很光順的表面和盡可能多的承載面積，從而確保相互運動時的滑動性和耐磨性。另一方面，又需要一個開放性的表面微觀結構，以保障表面的儲油能力，即這個表面仍然是“粗糙”的。為了同時能體現出這兩項功能，就需要使經珩磨加工的工件表面在相對粗糙的基礎上呈現出平臺結構的精細的表面形態(見圖1b)。
圖1 缸壁摩擦付表面的平臺結構
在圖1中，利用自*高峰頂向下1μm的截線c，分別與a、b兩種表面微觀結構相交後的情況可以清晰地看到，後者的耐磨性要高得多，且同時具有相當充分的儲油能力。如此的構造，決定了有足夠的潤滑劑在摩擦付表面貯存，潤滑劑能將兩個摩擦付表面完全的分離，以及做到在任何運行狀態下磨損*小。其機理是潤滑油由於特殊的工件表面微觀形態結構將能在表面駐留很長時間，并形成流體動態壓力。理想狀態下，在潤滑劑和施載體、受載體之間因粘著力而不會產生相對運動。相對運動只存在於潤滑層內部，因而不會產生工件的很大磨損。不同於上述活塞環-缸壁(缸孔內壁或缸套內壁)這組摩擦付，在發動機的活塞—連桿—曲軸運動機構中，與曲軸中的連桿軸頸組成運動摩擦付的，并非直接是連桿大頭孔的內壁，而是一對(兩半組成)軸瓦。因此，連桿大頭孔不同於之前研究的缸孔，其內壁和軸瓦乃是緊緊地貼合在一起，兩者之間不僅沒有高頻次的相對運動，而且還要求在傳遞高負荷的扭矩時竭力避免出現滑動，那怕是很小的錯移，以免影響發動機的運行。為此，長期以來在產品結構和工藝上，采取了分別在兩片軸瓦和分體的兩半連桿體上加工止口的方法，以防止產生滑移現象。這已是很成熟的制造技術，沿用至今。但近年來，汽車發動機業界出於種種考慮，不斷改進產品結構和改進工藝，上述連桿軸瓦止口限位工藝已在一些企業的新產品中被取消，且這種情況逐漸在增多。顯然，這種簡化了的結構和工藝直接帶來了對連桿大頭孔內壁與軸瓦之間的配合會提出更高的要求，*基本的一點就是：被緊緊壓入孔中的軸瓦與孔壁必須有足夠的摩擦力，以確保發動機在高速運轉中軸瓦不會有滑移。而這一點也只能由連桿大頭孔內壁的有特定要求的表面微觀結構來實現和保證。那麼，該如何在工件表面產生和驗證這些有特定要求的微觀結構呢?
2.加工工藝方法與工件的表面紋理
無論是缸孔還是連桿大頭孔，業內現今采用的*終精加工工藝仍是珩磨，通過精鏜工序之後的粗珩和精珩兩次珩磨(有時還會有半精珩)，在工件表面進行宏觀和微觀幾何加工。珩磨是利用油石、即砂條(一般稱“珩磨條”)對工件進行加工的一種工藝過程，在表面形成的微觀結構雖然會有所差別，見前一節圖1a、b，但就其本質來講，都屬於連續性的紋理狀，而這種形態又是一般傳統的切削型工藝方法所共有的。事實上，無論是精鏜、磨削，還是車、銑、刨，在工件表面形成的都無一不是連續性的紋理結構。圖2是采用觸針/電感方式對這類表面進行粗糙度測量的一張放大圖，再結合圖1的二幀示圖，可以得到這樣的結論：對應於利用傳統工藝方法加工的工件表面，由於普遍呈現連續性的紋理結構，因此，在取向相同的情況下，采取二維測量時在不同截面所獲得的測值具有可比性和趨同性。故在驗證被加工面微觀形態的符合性時，采用二維測量是完全可行的，*多為了更加客觀起見，可選相距較遠的位置多“拉”幾條線、即多測幾次而已。這種做法迄今還為國內外制造業所廣泛采用。
圖2 連續紋理表面的粗糙度測量
3.工件表面微觀結構符合性的驗證
為確認加工後的工件表面微觀構造能滿足所要求的工藝性能，首先就要確立對應的粗糙度評定參數，以對被檢表面的微觀特徵進行有針對性的定量表述。以缸孔內壁為例，如果僅采用Ra、Rz 等單一“振幅”類(又稱“高度”類)參數，顯然不足以完成對表面的正確評價，而必須再導入一些綜合性的評定參數。在這些評定參數中，Rk稱為中心區峰谷高度，又稱有效負荷粗糙度。從其形成的機制來看，相對於給定的一個值，它對應*大的輪廓支承長度率。故Rk的實質是這部分的中心區深度將在高負載運行中被磨損掉，但又能*大程度地達到耐磨性。Rpk是超過中心區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是從中心區下限到有實體材料的輪廓波谷的平均深度，它反映了潤滑油的儲存深度，體現了摩擦付在高負載工況下的失靈保護。Mr1和Mr2分別為波峰、波谷輪廓支承長度率，由輪廓中心區上、下截止線決定，其實Mr1表示了表面的初期磨損負荷率，而Mr2則為長期磨損負荷率。下面一組來自某汽車發動機廠缸孔內壁粗糙度的要求頗有代表性：Rk 1.5~3.0，Rpk 0.3，Rvk 0.9~1.6，Mr1 10%，Mr2 80%~95%。此外，也還需要用幾項傳統的粗糙度評定參數同時對缸壁表面進行監控，分別為：Ra 0.375~0.75，Rz 3.0 ~5.0。
至於對連桿大頭孔內壁的評定要求，眼下多數國內企業還只采用Ra或Rz，且通過調研發現，所設定的指標值的分散性還較大，如在以Ra為評定參數時，從Ra0.2、Ra0.3到Ra1.6、Ra2.0都有。可見此時對孔壁微觀結構的要求還是較寬松的。但如前所述，隨著近年來產品結構和工藝的改進，對連桿大頭孔內壁的微觀結構要求也在提高，以下表述的要求有一定代表性：1.Rz A±a;2.Rpc minn(±C)。
**項評定參數Rz的值已不同於習慣表示，而是要求R保持在一定范圍內，以確保被測表面必須“粗糙”到一定程度。另一項評定參數為Rpc(有時也被稱為PC)，即“標準化的輪廓波峰統計”，也可簡稱為“波峰計數(Peak Count)”，即在評定長度內，超過了所設定的統計邊界上限和下限(C1，C2)的波峰和波谷的數目，參見圖3。
圖3 三種常選的溝槽造型結構示意
但必須指出的是：計數原則為輪廓線都超出邊界的上下限，而且需要將評定長度內的Rpc轉換成長度為10mm的標準距離。據此，評定指標Rpc min n (±C)的含義為：當統計邊界為±C時，被測表面上10mm標準距離內的波峰計數值Rpc必須大於n。舉一個實例予以說明：
Rz=(8±3)μm
取樣長度0.8mm，評定長度4mm
Rpc min =170/cm
統計邊界 ±0.3μm
實際進行粗糙度測量時，儀器只經過4mm的評定長度，但在評定時，需轉換到10mm的標準距離，并要求≧Rpc 170，而統計邊界為±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—汽車工業強國德國的少數企業得到實際應用，但在用於發動機汽缸體缸孔和連桿大頭孔精加工等關鍵工序的實踐中，已經充分顯示了這種先進技術的很大優越性。近年來，激光造型在歐洲汽車發動機業界的應用日益增多，并自2009年開始，進入了國內的主流汽車發動機生產企業，展現了它十分廣闊的巿場前景。
簡單地說，這項新技術就是利用激光頭所發出的數控激光光束在被加工表面制作出符合事先設定要求的表面微觀結構的一種工藝方法。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。這種“激光刀”產生的光束的切削能力取決於脈沖頻率、功率、開關時間和進給速度等。由於溫度升高是瞬間產生的，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，工件材質的特性不會由此而產生變化。另一方面，粘結在工件表面上的冷卻劑殘余物將被蒸發或燃燒，也不會影響到激光光束切削的質量。專用造型設備的數控系統能驅使激光頭做上下和旋轉運動，并對光束的開關時間和能量進行相應的控制，從而使用戶能獲得不同要求的、可控的表面微觀結構。
對於缸孔精加工工序而言，*終獲得的理想表面，應該是一個既有較高光潔度的平臺結構，又具有可控的、適量而又充足的微觀構造，以使機油有較長的駐留時間和良好的流體動態壓力。為此，在引入了這項新技術後，選擇的是規整、均勻的溝槽方案，具有交錯斷續或交叉點坑的分布特徵。圖3是常選的三種溝槽構造形式：袋狀(左)、杯狀(中)和塊狀(右)。上述結構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。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，還可減少應力影響，對改善摩擦性能有很大好處。相比之下，傳統珩磨工藝在缸孔內表面形成的往往是相互連通的網狀溝槽結構，且表面粗糙度偏“粗”，導致儲油量過多。而采取鐳射造型工藝的結果是使潤滑油的消耗量會有較大幅度的減少，涉及環保的指標，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域，以保證活塞環在該區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4其實是汽車已運行十多萬公里、再拆解後的缸壁表面情況，在圖中，無論是造型形成的規則溝槽，還是下部珩磨加工的網紋都清晰可見。這也說明了利用鐳射造型技術可使磨損大幅度降低，從而延長發動機的使用壽命。相比缸孔在整個園周范圍實施燒蝕造型，連桿大頭孔精加工在引入這項新技術後，只是在孔圓周的4個矩形表面上進行造型，圖5中四個箭頭所指處的局部陰影區域即是。那每一塊造型區域又有多大呢?若某小排量轎車發動機連桿大頭孔的外徑一般不超過50mm，厚度不超過20mm，則取高(軸向)為13~15mm，寬(圓周向)度、既弧長則稍大些，但一般不用長度單位mm表示，而采用對應的角度標注，約為35°。
圖5 大頭孔圓周上的造型區
如前所述，缸孔激光造型乃是在其表面上加工出規則、均勻的溝槽。而對於連桿大頭孔，則是在精鏜後的圓周面上完成較均勻的凸峰狀造型，無疑兩者是不一樣的，所產生微觀結構的均勻程度也是不同的。從前面的介紹可知，由於連桿大頭孔珩磨後要求體現的工藝性能就是確保與軸瓦間有足夠的摩擦力，因此規則、均勻的程度，以及燒蝕造型過程中衍生的一些粘結熔堆和氧化物不會影響其工藝效果。
通過以上介紹可看到，經激光造型形成的工件表面微觀構造，與傳統的工件經切削加工後的成型面有很大差別，*大的不同是後者為連續性的紋理結構，而前者則具有斷續性、不連貫的特徵。兩者之間的這個差別導致在進行檢測和評定時，若還是把二維測量、評價的方式用於執行鐳射成形的工件表面就會產生較大誤差。一個顯見的事實是，如前所述，對工件加工面的技術要求，在若乾重要部位還需滿足相關工藝性能，指的都是配合面。 因此在理論上，當進行檢測和評價時也應該把“面”作為對象，之所以無論國內還是國外一直沿用二維測量方法，正是利用了傳統切削加工形成的工件表面所具有的這種連續性紋理結構特徵，而采取的一種“簡化”方案。
圖6 經激光造型後的工件表面示例
圖6的成型表面實例類似於前面圖4的溝槽造型結構，但表面上也存在少量不高的凸起(即白**域)。圖6中，左邊的為“袋狀”，右邊的為“杯狀”。假如以圖中的紅線作為二維測量時的測針運行軌跡，就可能得出以下的一些評定結論：
如圖中顯示的狀態，所得到的結果應該是相同的，這只要從對應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果。設想把左(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。
與表面微觀結構三維測量相對應的評定參數
表面微觀構造的二維評定參數，其實也同樣適用於利用鐳射造型技術加工出的表面。因為雖然兩者的工藝過程不同，但配合面需符合的要求、即應該實現的工藝性能是完全一樣的。然而，若再采用二維測量的方法來檢驗經鐳射造型後形成的表面就會出現很大的誤差，為了更確切地驗證此時工件表面的微觀構造是否符合所要求的工藝性能，必須采用“三維評價”做法，并建立了相應的評定參數和檢測方法。
事實上，除個別參數外，三維評定參數都是建立在二維評定參數的基礎上的，且均可以一一對應。當然，就現今已應用於實際也即已創建的參數的數量來看，3D參數要少的多，但已能覆蓋包括上述表面重要工藝性能的全部涉及項目。以下是一個對照表，列出了部分常用的評定參數。
表1 二維(2D)和三維(3D)評定參數對照表
以*常用的“振幅”類評定參數之一的Ra為例，其含義是在取樣長度內，經濾波後的全部輪廓偏距***的算術平均值，可表述為：
對應的3D評定參數則可以表述為：
不同於2D類的評定參數所采取的采樣、數據處理和評價都是囿於一個截面，即只是在工件被檢表面上的一個法向截面進行，3D類參數則有所不同。它的測量對象并非工件表面上的一個截面，而是一個區域，至於到底如何實現測量、評定則可以有不同的方式。
另一個常用的二維評定參數RZ往往被稱為十點高度，其含義是在經濾波後的輪廓評定長度內，5個*高的輪廓峰高值和5個*低的輪廓谷深值的**高度的平均值。RZ可以用下式表達：
式中的P代表*高的5個峰值，V代表*低的5個谷深值。
而對應的3D評定參數的表述形式為：
實際上，兩者的表達方式完全一樣，只是RZ僅反映了一個截面的范圍，而SZ反映了一個區域，故後者表達式中的峰高和谷深完全有可能不在同一個截面。
在眾多3D評定參數中，Ssc是極個別的無法與2D參數相對應、且具有獨特內涵的一項評定參數，被稱為波峰曲率算術平均值，其含義為：在被測表面輪廓范圍內，被測得的眾多波峰*大曲率的平均值。借助Ssc，就能較**的了解該工件表面波峰、凸起的大致情況，是呈渾圓狀還是比較尖銳，這對弄清和更**地了解配合狀況有很大的意義。Ssc的單位是1/μm，也就是曲率的單位，其數學表達式為：
傳統檢測手段在表面三維測量中的應用及其不足
對於表面微觀結構的二維測量，無論采樣、數據處理和評價都是基於工件被檢表面的某個法向截面。而三維測量則完全不同，它的測量對象并非工件表面上的一個截面，而是某個區域。此時，如果仍采用傳統的觸針式檢測方法，就必須逐個在m個平行的法向面上進行測量，*終根據這m個二維測量的采樣結果來做數據處理和評價，以反映出被測區域的表面微觀特徵。m一般大於100。可以采用與進行2D參數檢測時完全相同的粗糙度儀實現3D參數檢測，只是必須增添能提供新的二項功能的相關硬體、軟件：精密微動工作臺和3D數據處理軟件。實際測量過程如下：
·如前所述，大頭孔的造型面乃是圓周上的四塊，故實施檢測時需分別進行，再統一分析，這就得裝夾、調整4次才能完成一個工件的測量。
·測頭是沿著圓周方向移動的，每完成一次類似於2D的粗糙度測量後，工作臺的伺服電機就會帶動工件平移一個微小距離e，然後再進行下一次測量。
·對大頭孔上每一塊造型面的測量，并不是覆蓋其整個面積，而只是截取其中一部分，如一種取法是2mm×0.5mm，圓周方向為2mm。
·具體的儀器設置為：取樣長度Lc0.25mm，測量速度0.5mm/s，X方向和Y方向的采樣密度 2.5μm×2.5μm，X方向是儀器測頭沿圓周測量時的走向，2.5μm是采樣密度;Y方向是工作臺每次微動距離，也即每相隔2.5μm將測一次;Y方向的長度是0.5mm，因此完成對整個截取面的檢測需要測量201次(條)。
由於配備了三維測量軟件，因此在對所采集數據進行處理的基礎上，就能按照產品(圖紙)技術要求中規定的評定參數，對被測工件的鐳射造型表面做出評價，主要的評定指標的設置有這樣二種：
·沿襲前面介紹的用於珩磨後表面工藝性能評價時所采用的2個二維評定參數Ra和Rpc，只需換成Sa和Spc，這在表1上都是在列的。
·同樣也可評價工件造型表面的工藝性能，但所采用的三維評定參數為Sa和Ssc，它們的含義在前一節已作了詳細說明。事實上，選擇Sa和Ssc顯然能更確切地反映出對連桿大頭孔內壁微觀結構的要求。
當選擇所列的設置值對連桿鐳射造型表面進行檢測時，采用的評定參數事實上就是Sa和Ssc這兩項，且明確規定了只有當符合：Sa≥0.18μm，Ssc≤0.052 1/μm時，才算合格，即能滿足相應的工藝性能的要求。
上述建立在傳統測量原理基礎上的表面形貌三維檢測方法存在的先天不足，主要表現在：
·效率太低。以上面描述的對連桿大頭孔鐳射造型面的測量過程為例，即使只測其某一塊(約10×12mm2)中的一個區域，耗時也要近40分鐘，若考慮到輔助時間，完成該工件全部檢查任務需時甚至會達三個小時。
·檢測質量較差。鑒於以下一些原因，決定了利用傳統方式進行三維測量難以得到理想的結果：
-區域面積掃描時由多次單一線掃描拼合而成，線掃描之間的表面形貌資訊丟失。
-觸針式探頭的尺寸導致了在測量維納米結構和陡峭變化表面時容易出錯
公安機關備案號：
