磨合表面的测量与分析
摘 要：基于对磨合前、后发动机缸套表面形貌的测量，给出了发动机缸套表面形貌的偏态、峰态、平均波长、平均斜率等参数的设计要求。从磨损深度和磨损体积两方面对磨合磨损量进行了分析，并指出了两者间的区别。
关键词：表面形貌 缸套 磨合
Measurement and Analysis of Running-in Surfaces
Liu Xiaojun
Abstract:based on the measurement of the surface topograph y of cylinder bore before and after running-in, the design requirements of the surface topography parameters of cylinder bore are given in terms of skewness, kurtosis, average wavelength and the rms slope, et al. The running-in wear is analyzed by using two concepts of radial wear and wear volume, and the difference between the two concepts is pointed out.
Keywords:surface topography cylinder bore running-in
1.引言
缸套-活塞环是发动机中最重要的且工作在混合润滑状态下的摩擦副。摩擦副的磨合作用是使配对表面中的软表面（缸套表面）被磨损直至达到与硬表面（活塞环表面）相适应的表面轮廓。在实际磨合过程中，主要是缸套的表面形貌发生变化。本文基于对磨合表面的实际测量，确定了缸套在稳定工作阶段的表面形貌参数。显然，如能将缸套的原始表面设计得接近于磨合后的表面形貌，将有利于缩短甚至避免磨合期，从而产生直接的经济效益。
2.表面形貌的测量与分析
磨合试验在拖动台架上进行。采用Taylorsurf-6型轮廓仪分别对5组磨合前、后的缸套表面形貌进行测量，选取截止长度为0.8mm，测量长度为4mm。表面形貌的变化可采用以下参数定量描述：
（1）偏态值Rsk及峰态值Rku：偏态值Rsk用于衡量分布曲线偏离对称位置的程度；峰态值Rku则表示分布曲线的尖峭程度。若表面轮廓高度用y表示，则有
式中 Rq——表面轮廓的均方根偏差
n——采样点数
(2)均方根斜率Δq：其计算公式为
式中 L——测量长度
θ＝y′
(3)平均波长λ:λ属于混合参数,比纯粹的高度参数和空间参数包含更多的信息。λ定义为
λ=2πRq/Δq
测量结果列于下表。表中参数的下标1代表未经磨合的原始表面；下标2代表磨合后的表面。由表可见，磨合后的表面呈现出下述特征：负偏态值和峰态值增大（Rsk值约为-2.5～-3.0，Rku值约为10～20）；均方根斜率减小（Δq值约为1.5°～2°）；平均波长在磨合前后变化不大（λ值约为100μm左右），说明表面的空间特性在磨合前后基本未发生变化。了解平均波长对于控制实际加工过程具有重要意义，因为在许多采用单刃切削的加工中，平均波长近似等于刀具进给率。
表 磨合前后表面形貌参数的变化
试件号12345λ1(μm)9798989993λ2(μm)961089811091Rsk1-1.4-2.4-1.5-2.1-1.5Rsk2-2.9-3.1-2.9-2.8-2.4Rku19.08.78.510.45.8Rku214.510.517.118.910.8Δq1(°)2.12.41.91.72.9Δq2(°)1.41.81.61.52.1
由于在混合润滑过程中，微凸体要承受载荷，因此微凸体密度D（单位长度内的微凸体个数）就显得非常重要。在以往分析缸套-活塞环润滑时，D值基本上都是人为给定，因此具有较大局限性。通过对表面的测量发现，D值沿表面高度方向变化很大，图1a～e分别表示5个表面磨合前、后在整个测量长度范围内的微凸体数目沿表面高度的变化情况。图中实线代表磨合后的表面,虚线代表磨合前的原始表面，0是中线位置。可以看出，原始表面的D值一般比磨合后表面的D值大；就一个表面本身来说，D值在中线处最大，即当表面在不同高度接触时，其D值是不同的，这对于准确分析缸套-活塞环润滑特性非常重要。
图1 磨合前后微凸体密度沿表面高度的变化
3.磨合磨损量分析
磨合磨损量可通过磨损深度和磨损体积两个参数来加以分析。由于在磨合过程中，被磨合表面只是轮廓峰顶被磨去，而峰谷基本不变，因此可利用最大峰谷高度的变化来衡量磨损量，即磨损深度可看作是磨合前的最大峰谷高度与磨合后的最大峰谷高度之差。由于本试验中每个试件分别测量了5个截止长度，因此在确定磨损量时采用了5个最大峰谷高度的均值。图2是上述5个试件的磨损深度直方图。
图2 磨损深度直方图
由于磨合过程中峰谷不变的特性，磨合前、后支承率曲线上的100%支承率应处于同一平面上，因此磨损体积可由支承率曲线求得［1］。根据上述方法获得的磨损体积直方图如图3所示。
图3 磨损体积直方图
比较图2和图3可以看出，磨损深度与磨损体积并不完全一致，这主要是因为表面形貌结构特性的影响。由于所分析的缸套表面加工方法相同，因此上述磨损差别并不很大，但对于不同加工过程获得的表面，上述差异有时会非常大。因此，通过表面设计降低磨合磨损时必须综合考虑上述两种参数才能达到预期效果。
4.结论
(1)缸套在稳定工作阶段其表面形貌有如下特点：负偏态值约为2.5～3.0，峰态值约为10～20，平均斜率均方根值约为1.5°～2°,平均波长值约为100μm。
(2)微凸体密度是沿表面高度变化的，在中线处微凸体密度最大。同时，磨合后的表面微凸体密度减小。
(3)磨合磨损量受表面形貌结构的影响，磨损深度大时，磨损体积并不一定大。
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