1. 表面粗糙度理論與標準的發(fā)展

表面粗糙度標準的提出和發(fā)展與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，它經(jīng)歷了由定性評定到定量評定兩個階段標準。表面粗糙度對機器零件表面性能的影響從1918年開始首先受到注意示範推廣，在飛機和飛機發(fā)動機設(shè)計中，由于要求用*少材料達到*大的強度即將展開，人們開始對加工表面的刀痕和刮痕對疲勞強度的影響加以研究大幅增加。但由于測量困難，當時沒有定量數(shù)值上的評定要求傳承，只是根據(jù)目測感覺來確定等特點。在20世紀20～30年代，世界上很多工業(yè)國家廣泛采用三角符號(▽)的組合來表示不同精度的加工表面多種。

為研究表面粗糙度對零件性能的影響和度量表面微觀不平度的需要將進一步，從20年代末到30年代，德國發展成就、美國和英國等國的一些專家設(shè)計制作了輪廓記錄儀成就、輪廓儀，同時也產(chǎn)生出了光切式顯微鏡和干涉顯微鏡等用光學方法來測量表面微觀不平度的儀器開展面對面，給從數(shù)值上定量評定表面粗糙度創(chuàng)造了條件系統。從30年代起，已對表面粗糙度定量評定參數(shù)進行了研究進一步提升，如美國的Abbott就提出了用距表面輪廓峰頂?shù)纳疃群椭С虚L度率曲線來表征表面粗糙度空間廣闊。1936年出版了Schmaltz論述表面粗糙度的專著，對表面粗糙度的評定參數(shù)和數(shù)值的標準化提出了建議改革創新。但粗糙度評定參數(shù)及其數(shù)值的使用知識和技能，真正成為一個被廣泛接受的標準還是從40年代各國相應(yīng)的國家標準發(fā)布以后開始的。

首先是美國在1940年發(fā)布了ASAB46.1國家標準新模式，之后又經(jīng)過幾次修訂實現，成為現(xiàn)行標準ANSI/ASMEB46.1-1988《表面結(jié)構(gòu)表面粗糙度、表面波紋度和加工紋理》提高，該標準采用中線制方便，并將Ra作為主參數(shù)；接著前蘇聯(lián)在1945年發(fā)布了GOCT2789-1945《表面光潔度各領域、表面微觀幾何形狀應用領域、分級和表示法》國家標準，而后經(jīng)過了3次修訂成為GOCT2789-1973《表面粗糙度參數(shù)和特征》，該標準也采用中線制發展機遇，并規(guī)定了包括輪廓均方根偏差(即現(xiàn)在的Rq)在內(nèi)的6個評定參數(shù)及其相應(yīng)的參數(shù)值長效機製。另外，其它工業(yè)發(fā)達國家的標準大多是在50年代制定的全技術方案，如聯(lián)邦德國在1952年2月發(fā)布了DIN4760和DIN4762有關(guān)表面粗糙度的評定參數(shù)和術(shù)語等方面的標準等分享。
以上各國的國家標準中都采用了中線制作為表面粗糙度參數(shù)的計算制，具體參數(shù)千差萬別信息化，但其定義的主要參數(shù)依然是Ra(或Rq)方式之一，這也是國際間交流使用*廣泛的一個參數(shù)。

2 表面粗糙度標準中的基本參數(shù)定義

隨著工業(yè)的發(fā)展和對外開放與技術(shù)合作的需要新型儲能，我國對表面粗糙度的研究和標準化愈來愈被科技和工業(yè)界所重視創新能力，為迅速改變國內(nèi)表面粗糙度方面的術(shù)語和概念不統(tǒng)一的局面，并達到與國際統(tǒng)一的作用範圍，我國等效采用國際標準化組織(ISO)有關(guān)的國際標準制訂了GB3505-1983《表面粗糙度術(shù)語表面及其參數(shù)》求得平衡。GB3505專門對有關(guān)表面粗糙度的表面及其參數(shù)等術(shù)語作了規(guī)定，其中有三個部分共27個參數(shù)術(shù)語：

a.與微觀不平度高度特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語空間廣闊。其中定義的常用術(shù)語為：輪廓算術(shù)平均偏差Ra至關重要、輪廓均方根偏差Rq、輪廓*大高度Ry和微觀不平度十點高度Rz等11個參數(shù)服務品質。

b.與微觀不平度間距特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語的發生。其中有輪廓微觀不平度的平均間距Sm、輪廓峰密度D影響、輪廓均方根波長lq以及輪廓的單峰平均間距S等共9個參數(shù)新的動力。

c. 與微觀不平度形狀特性有關(guān)的表面粗糙度參數(shù)術(shù)語。這其中有輪廓偏斜度Sk指導、輪廓均方根斜率Dq和輪廓支承長度率tp等共5個參數(shù)。

3 精密加工表面性能評價的內(nèi)容及其迫切性

表面粗糙度參數(shù)這一概念開始提出時就是為了研究零件表面和其性能之間的關(guān)系國際要求，實現(xiàn)對表面形貌準確的量化的描述流動性。隨著加工精度要求的提高以及對具有特殊功能零件表面的加工需求，提出了表面粗糙度評價參數(shù)的定量計算方法和數(shù)值規(guī)定重要部署，同時這也推動了國家標準及國際標準的形成和發(fā)展具體而言。

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，許多制件的表面被加工而具有特定的技術(shù)性能特征智慧與合力，諸如：制件表面的耐磨性喜愛、密封性、配合性質(zhì)開放要求、傳熱性向好態勢、導電性以及對光線和聲波的反射性，液體和氣體在壁面的流動性服務機製、腐蝕性貢獻力量，薄膜使用、集成電路元件以及人造器官的表面性能，測量儀器和機床的精度發行速度、可靠性更加堅強、振動和噪聲等等功能，而這些技術(shù)性能的評價常常依賴于制件表面特征的狀況性能，也就是與表面的幾何結(jié)構(gòu)特征有密切聯(lián)系初步建立。因此，控制加工表面質(zhì)量的核心問題在于它的使用功能供給，應(yīng)該根據(jù)各類制件自身的特點規(guī)定能滿足其使用要求的表面特征參量的方法。不難看出，對特定的加工表面重要的意義，我們總希望用*(或比較)恰當?shù)谋砻嫣卣鲄?shù)去評價它持續，以期達到預期的功能要求；同時我們希望參數(shù)本身應(yīng)該穩(wěn)定再獲，能夠反映表面本質(zhì)的特征產品和服務，不受評定基準及儀器分辨率的影響，減少因?qū)﹄S機過程進行測量而帶來參數(shù)示值誤差體驗區。

但是從標準制定的特點和內(nèi)容上我們?nèi)菀装l(fā)現(xiàn)增多，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，特別是新型表面加工方法不斷出現(xiàn)和新的測量器具及測量方法的應(yīng)用有望，標準中的許多參數(shù)已無法適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需求進一步推進，尤其是在一些特殊加工場合，如精加工時方案，用不同方法加工得到的Ra值相同(或很相近)的表面就不一定會具有相同的使用功能應用的選擇，可見，此時Ra值對這類表面的評定顯得無能為力了科普活動，而且傳統(tǒng)評定方法過于注重對高度信息做平均化處理創新延展，而幾乎忽視水平方向的屬性，未能反映表面形貌的**信息長期間。近年來在表面特性研究的領(lǐng)域內(nèi)基本情況，相對地說，關(guān)于零件表面功能特性方面的研究本身就較為薄弱高端化，因為它牽涉到很多學科和技術(shù)領(lǐng)域力量。機器的各類零件在使用中各有不同的要求，研究表面特征的功能適應(yīng)性將十分復雜提單產，這也限制了對表面形貌與其功能特性關(guān)系的研究深入實施。

工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展迫切需要更加行之有效且適應(yīng)性更強的表面特征評價參數(shù)的出現(xiàn)，為解決這一矛盾，各國的許多學者都在這方面加大研究力度研究進展，以期在不遠的將來制訂出一套功能特性顯著的參數(shù)無障礙。另一方面，為了防止“參數(shù)爆炸”快速融入，同時也防止大量相關(guān)參數(shù)的出現(xiàn)認為，要做到用一個參數(shù)來評價多個性能特性，用數(shù)量很少的一組參數(shù)實現(xiàn)對表面的本質(zhì)特征的準確描述增強。

4 表面粗糙度理論的新進展

表面形貌評定的核心在于特征信號的無失真提取和對使用性能的量化評定重要意義，國內(nèi)外學者在這一方面做了大量工作，提出了許多分離與重構(gòu)方法更加廣闊。隨著當今微機處理技術(shù)規劃、集成電路技術(shù)、機電一體化技術(shù)等的發(fā)展可以使用，出現(xiàn)了用分形法進入當下、Motif法、功能參數(shù)集法效高化、時間序列技術(shù)分析法新體系、*小二乘多項式擬合法、濾波法等各種評定理論與方法創造，取得了顯著進展不難發現，下面對相對而言比較成熟的分形法、Motif法環境、特定功能參數(shù)集法進行介紹空間載體。

1) 分形幾何理論

*近，國內(nèi)外在表征和研究機加工表面的微觀結(jié)構(gòu)相對簡便、接觸機理和表面粗糙度等方面越來越多地使用分形幾何理論這一有力的數(shù)學工具重要組成部分。研究表明，很多種機加工表面呈現(xiàn)出隨機性合作、多尺度性和自仿射性勃勃生機，即具有分形的基本特征，因而使用分形幾何來研究表面形貌將是合理地一站式服務、有效地廣度和深度。確定分形的重要參數(shù)有分形維數(shù)D和特征長度A深入交流，它們可以衡量機加工表面輪廓的不規(guī)則性引領作用，理論上不隨取樣長度變化和儀器分辨率變化，并能反映表面形貌本質(zhì)的特征臺上與臺下，能夠提供傳統(tǒng)的表面粗糙度評定參數(shù)(如Ra用的舒心、Ry、Rz等)所不能提供的信息。美國TopoMetrix公司生產(chǎn)的掃描探針顯微鏡(SPM)軟件體系中集成，已將分形維數(shù)作為評價表面微觀形貌的參數(shù)之一重要手段。

機械加工表面分形維數(shù)表達了表面所具有的復雜結(jié)構(gòu)的多少以及這些結(jié)構(gòu)的微細程度，微細結(jié)構(gòu)在整個表面中所占能量的相對大小穩定性。分形維數(shù)越大像一棵樹，表面中非規(guī)則的結(jié)構(gòu)就越多，并且結(jié)構(gòu)越精細去突破，精細結(jié)構(gòu)所具有的能量相對越大能運用，具有更強的填充空間的能力。

Mandelbrot于1982年在Weierstrass函數(shù)基礎(chǔ)上提出一種分形曲線的函數(shù)表達式智能設備，稱為Weierstrass-Mandelbrot函數(shù)不可缺少，結(jié)合工程表面的特性，往往將W-M函數(shù)寫成如下形式特點。

　

Z(x)=A(D-1) ∞
S
n=n1
cos2prnx
　
r(2-D)n
R>1
1(1)

Z(x)為機械加工表面輪廓積極回應。這樣，就在工程表面的函數(shù)描述中引入了分形維數(shù)D這一參數(shù)又進了一步，式中rn是表面上各次諧波的頻率多種場景。它的取值范圍取決于采樣長度L和采樣的*高分辨率，即截止頻率註入了新的力量，A為特征長度重要的作用。對W-M函數(shù)求功率譜可以得到

　S(w)= A2(D-1) · 1
　 　
2lnr w(5-2D)
(2)

輪廓的功率譜服從冪定律，在式(2)兩端取對數(shù)為

　lgs(w)=B+klgw (3)

B=2(D-1)lgA-lg(2lnr)
k=2D-5

在雙對數(shù)坐標lgs(w)-lgw中去創新，k是斜率足夠的實力，w是截距，從上式可以看出分形維數(shù)D決定著圖線的斜率結構，特征長度A和分形維數(shù)D決定著圖線的位置(截距)更適合。因此對于機械加工表面，可以通過其雙對數(shù)坐標下的功率譜圖溝通協調，由(3)式算得分形維數(shù)D和特征長度A要素配置改革。

分形理論在實際應(yīng)用中還有許多工作有待進一步研究。一是并非所有表面都具有分形特征保障性，分形維數(shù)能否完全表征實際表面帶動產業發展，還有待進一步研究；二是現(xiàn)有的分形數(shù)學模型并沒有考慮表面的功能特性十分落實，也沒有一種方法能**確定分形參數(shù)倍增效應。

2) Motif法

隨著制造技術(shù)的不斷進步，表面質(zhì)量不僅表現(xiàn)為表面的形狀誤差製造業、波度優化服務策略、表面粗糙度等要求關規定，而且對表面的峰、谷及其形成的溝兩個角度入手、脈走向與分布等也有要求建強保護，需要對與表面功能密切相關(guān)的表面紋理結(jié)構(gòu)進行綜合評定。顯然生產效率，現(xiàn)在普遍采用的以2維參數(shù)為基礎(chǔ)的表面形貌評定方法過于注重高度信息使命責任，對高度信息做平均化處理，而幾乎忽視水平方向的屬性使用，不能反映表面的其實形貌強化意識。

Motif法基于地貌學理論從表面原始信息出發(fā)，不采用任何輪廓濾波器基本情況，通過設(shè)定不同的閾值將波度和表面粗糙度分離開來現場，強調(diào)大的輪廓峰和谷對功能的影響，在評定中選取了重要的輪廓特征力量，而忽略了不重要的特征探討，該方法被引入法國汽車工業(yè)表面粗糙度和波度標準，也已制訂成國際標準ISO12085高效流通。

圖1 粗糙度Motif

Motif由兩個單個輪廓峰的*高點之間的基本輪廓部分組成調解製度，兩個峰之間的谷為一個單個的Motif，如圖1所示功能，并用平行于輪廓的總走向的長度AR應用的因素之一，垂直于基本輪廓總走向的兩個深度Hj和Hj+1，以及特征量T(T=min[Hj預期，Hj+1])表征敢於監督。在設(shè)定閾值條件下，Motifs經(jīng)過不斷的合并結構，得到評定表面功能的Motifs集合重要的作用，ISO12085推薦的參數(shù)見表1。
表1 Motif法的表征參數(shù)
　

原始輪廓 粗糙度參數(shù) 波紋度參數(shù)
輪廓總高度 Pt Wt
Motifs的平均深度 R W
Motifs的*大深度 Rx Wx
Motifs的平均間距 AR AW
　

Motif的合并應(yīng)遵循4個條件規模最大，否則2個相鄰的峰不能被合并穩中求進，只能作為單個的Motif處理。

a. 包絡(luò)條件如果兩個相鄰Motif的中間峰大于兩邊的峰最深厚的底氣，則2個Motif不能合并協同控製。
b.寬度條件2個相鄰Motif合并后的長度不大于A(對表面粗糙度Motif)或B(對表面波度)，則可以合并品質。預先設(shè)定的Motif寬度的*大值A(chǔ)可以分離表面粗糙度和表面波度利用好，實際上即為閾值。設(shè)定的B值則可以分離波度和殘留形狀最為顯著。
c. 擴大條件2個Motif合并后的高度必須大于或等于原來的2個Motif尤為突出。
d. 深度條件單個Motif的高度必須小于合并后Motif高度的60%。

Motif法僅用7個參數(shù)就能對表面粗糙度和波紋度進行完整的描述環境，它尤其適合沒有預行程或延遲行程的輪廓空間載體；在未知表面和過程上進行技術(shù)分析；與表面的包絡(luò)面相關(guān)的性能研究相對簡便；辯識粗糙度和波度具有相當接近波長的輪廓重要組成部分。Motif法以寬度閾值代替取樣長度，自動給定截止波長合作，真實匹配輪廓的局部特征勃勃生機，評定參數(shù)少。但是Motif法的四個合并條件是來自多年的實踐工作經(jīng)驗極致用戶體驗，缺乏理論依據(jù)和諧共生，并且三維Motif仍沒有統(tǒng)一的定義和合并準則。

3) 特定功能參數(shù)集

在工程應(yīng)用中適應性強，機加工的許多零件表面需要具有特定的功能特性技術交流，如支承性能、密封性和潤滑油滯留性能等拓展撛旄?；谶@些功能需求，零件表面就必須被設(shè)計不斷進步、加工成特定的形貌以滿足預期的應(yīng)用工藝技術。所以我們有必要定義特定的功能參數(shù)來有效地表征零件表面的特殊屬性，零件表面從接觸應(yīng)用角度(如摩擦磨損規模，潤滑近年來，密封緊密性，接觸應(yīng)力發展目標奮鬥，接觸剛度性能穩定、承載面積和熱導率等)和非接觸應(yīng)用角度(如光學鏡頭，表面維護和表面油漆處理)來看作用，其在功能方面的特殊屬性要**極其廣泛的情況正常。在實際工程應(yīng)用中應(yīng)針對表面特殊性能要求設(shè)定功能參數(shù)集。比較典型的是表征具有高預應(yīng)力表面的基于輪廓支承度率曲線的Rk功能參數(shù)集技術特點。

在20世紀80年代初提高鍛煉，Trautwein提出了一個關(guān)于Abbott-Firestone曲線的兩段線性模型，他用這個模型去表示缸膛表面的特征凝聚力量。從這個模型中還引伸出一個被稱為液體滯留容積的參數(shù)有所提升。*近，又有學者把Abbott-Firestone曲線分成三個區(qū)域新的力量，并在此基礎(chǔ)上提出了Rk參數(shù)集先進水平，該參數(shù)集也正式地被寫進德國DIN4776標準便利性。這個參數(shù)集主要是用于表征具有高預應(yīng)力的表面，如珩磨表面重要平臺、拋光表面深刻認識、磨削表面等，這些相關(guān)的參數(shù)將輪廓支承度率的增長描述成粗糙度輪廓深度的函數(shù)應用提升，結(jié)合氣缸套的平臺網(wǎng)紋本身的特點及氣缸套的工作狀況主動性，確立了基于輪廓支承度率曲線的參數(shù)指標，這套評定指標能夠?qū)飧滋變?nèi)表面粗糙度輪廓的磨合特性前沿技術、潤滑特性基礎、網(wǎng)紋分布等進行對應(yīng)的定量分析，實現(xiàn)完整多種方式、準確地描述及評價氣缸套平臺網(wǎng)紋對外開放。

輪廓支承長度率曲線tp(c)，又稱Abbott-Firestone曲線深入交流研討，是描述輪廓形狀的主要指標有序推進。tp(c)能直觀地反映零件表面的耐磨性，對提高承載能力也具有重要的意義需求。在動配合中堅定不移，值tp值大的表面，使配合面之間的接觸面積增大更讓我明白了，減少了磨擦損耗迎難而上，延長零件的壽命。從tp(c)曲線的特征可以看出探索，它對氣缸套內(nèi)孔表面耐磨性能堅持先行、潤滑性能，使用壽命等都有非常重要的意義滿意度。為此設(shè)定了一組基于輪廓支承長度率曲線的參數(shù)集情況較常見，對應(yīng)氣缸套的實際工作狀況，對tp(c)曲線進行量化的描述主要抓手，如圖2所示體製，粗糙度輪廓及對應(yīng)的tp(c)曲線被分為三個部分，分別為輪廓峰創新科技、核心輪廓和輪廓谷服務延伸。

圖2 基于Abbott曲線的評定參數(shù)

a.簡約峰高RPK是指粗糙度核心輪廓上方的輪廓峰的平均高度。表面輪廓頂部的這一部分具有重要意義，當發(fā)動機開始運行時進一步，將很快被磨損掉，其減低的高度將影響氣缸套進入正常工作狀態(tài)的磨合時間強大的功能，及實際材料磨損量實際需求。

b.核心粗糙度深度RK在分離出輪廓峰和輪廓谷之后剩余的核心輪廓的深度為RK解決方案。這一部分是氣缸套長期工作表面，它影響著氣缸套的運轉(zhuǎn)性能和使用壽命善謀新篇，是粗糙度輪廓的核心部分基礎。

c.簡約谷深RVK是指從粗糙度核心輪廓延伸到材料內(nèi)的輪廓谷的平均深度。這些深入表面的深溝槽在活塞相對缸套運動時推進一步，形成附著性能很好的油膜，在提高孔的耐磨性簡單化、縮短發(fā)動機磨合時間的同時力度，能大幅度降低油耗。

d.輪廓支承長度率Mr1以百分數(shù)表示的輪廓支承長度率Mr1是為一條將輪廓峰分離出粗糙度核心輪廓的截線而確定的系統性。Mr1值是氣缸套進入長期工作表面的上限勇探新路，其數(shù)值的大小直接反映了氣缸的加工水平和使用性能。

e.輪廓支承長度率Mr2以百分數(shù)表示的輪廓支承長度率Mr2是為一條將輪廓谷分離出粗糙度核心輪廓的截線而確定的傳遞。Mr2值是進入長期工作表面的下限試驗，其數(shù)值的大小不但決定了磨損量，還決定了工作表面以下深溝槽的貯油開展攻關合作、潤滑能力製度保障。

f.存油量V0粗糙度核心輪廓向下延伸到材料內(nèi)的輪廓谷的橫截面積實際上就是深溝網(wǎng)紋的存油量V0，它是tp(c)曲線與右邊縱軸及Mr2對應(yīng)的截線構(gòu)成的陰影部分面積的有效手段，它對缸套的潤滑性能無疑有重要意義統籌推進。它近似為三角形面積：V0≈(100-Mr2)×RVK/2。

圖中參數(shù)的確定需要使用一條回歸線關鍵技術，回歸線的40%以上的部分是tp(c)曲線上的點構(gòu)成了解情況，回歸線在縱坐標方向上的差值平方*小，回歸線與縱軸兩交點之間的垂直距離即為核心粗糙度深度RK技術研究，兩交點對應(yīng)的截線位置即為Mr1重要的、Mr2對應(yīng)的截線位置。

對于Rk參數(shù)集的功能特征參數(shù)姿勢，其定義方法在于把Abbott-Firestone曲線分成不同的部分以對應(yīng)不同的功能區(qū)域相互融合。雖然這些方法可以成功地用來表征特定的一些工程表面，但是由于它主要是基于制造工藝經(jīng)驗綠色化，缺乏理論依據(jù)技術交流，這種方法在表征大多數(shù)其它的工程表面時會失去原有的意義。

5 結(jié)語

表面形貌極大地影響著零件的使用性能拓展，合理地表征和評定表面形貌是一項具有重要意義的課題創造更多，表面粗糙度理論及標準在不足百年的時間內(nèi)得到了巨大的發(fā)展，隨著當今微機處理技術(shù)不斷進步、集成電路技術(shù)等的發(fā)展工藝技術，出現(xiàn)了時序分析法豐富內涵、*小二乘多項式擬合法、濾波法產能提升、分形法適應性、Motif法、功能參數(shù)集法等各種評定方法通過活化，取得了諸多進展落地生根，但是它們只能得到真實表面的有限信息，仍然存在一些問題有待完善：

1) 表面輪廓微觀統(tǒng)計特征的**準確描述問題健康發展；
2) 表面輪廓為隨機過程有效保障，評定參數(shù)的值并不確定，由此產(chǎn)生了測量不確定性問題長效機製；
3) 評定參數(shù)的相互關(guān)系以及參數(shù)數(shù)目越來越多的參數(shù)爆炸問題講實踐；
4) 表面輪廓的測量結(jié)果受測量基準和儀器分辨率影響的問題；
5) 表面粗糙度參數(shù)與使用性能不能完全對應(yīng)的問題奮戰不懈。