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(jié)構(gòu)則主要指前二項(xiàng)，它們均為零件重要的質(zhì)量監(jiān)控指標(biāo)。關(guān)於工件表面微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量，國(guó)外早在上世紀(jì)八、九十年代已經(jīng)做了不少前期工作。以檢測(cè)方式而言，就有藉助傳統(tǒng)的觸針/電感式粗糙度測(cè)量?jī)x，通過(guò)增加一個(gè)精密工作臺(tái)產(chǎn)生橫向微量位移，以組成三維測(cè)量；此外還研究了數(shù)種不同原理的光學(xué)測(cè)量方法，如光切法、光學(xué)探針和乾涉顯微鏡等。盡管在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的某些儀器也獲得了一些應(yīng)用，但主要還是在電子（材料）、軍工等工業(yè)部門(mén)，且偏重於表面缺陷探測(cè)范疇。其實(shí)，迄止本世紀(jì)初，即使在工業(yè)化國(guó)家，表面微觀結(jié)構(gòu)的三維測(cè)量也還沒(méi)有在那些主流制造業(yè)，如汽車(chē)行業(yè)中獲得真正的應(yīng)用，原因何在呢？
*，檢測(cè)技術(shù)本質(zhì)上講是服務(wù)於制造工藝的，是為了驗(yàn)證工藝方法的執(zhí)行效果。而觸針/電感型二維測(cè)量及其應(yīng)用的評(píng)定參數(shù)至今仍然在國(guó)內(nèi)外有著廣泛的應(yīng)用，正是因?yàn)樗心苓m應(yīng)、滿(mǎn)足對(duì)批量生產(chǎn)條件下零件制造工藝執(zhí)行效果的驗(yàn)證。
二維測(cè)量用於工件表面微觀結(jié)構(gòu)評(píng)定的技術(shù)分析
1.表面微觀結(jié)構(gòu)與工件配合面的工藝性能
為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，在零部件制造過(guò)程中，企業(yè)必須嚴(yán)格遵循技術(shù)要求，并在事後進(jìn)行驗(yàn)證。以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，幾乎所有存在配合關(guān)系的工件，對(duì)其相關(guān)表面都有一定的要求，尤其是那些關(guān)鍵部位，其配合面的狀態(tài)決定了所應(yīng)具備的工藝性能，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。下面通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)中的汽缸體缸孔和連桿大頭孔兩個(gè)案例進(jìn)行探討。
圖1 缸壁摩擦付表面的平臺(tái)結(jié)構(gòu)
作為發(fā)動(dòng)機(jī)中那些重要的摩擦付，配合面的狀態(tài)是否符合要求至關(guān)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(jié)構(gòu)更是往往會(huì)決定相關(guān)的工藝性能。例如，對(duì)於缸孔來(lái)說(shuō)，通常情況下，經(jīng)過(guò)珩磨加工後的工件表面應(yīng)同時(shí)具備這樣兩項(xiàng)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(yùn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)性和耐磨性。另一方面，又需要一個(gè)開(kāi)放性的表面微觀結(jié)構(gòu)，以保障表面的儲(chǔ)油能力，即這個(gè)表面仍然是“粗糙”的。為了同時(shí)能體現(xiàn)出這兩項(xiàng)功能，就需要使經(jīng)珩磨加工的工件表面在相對(duì)粗糙的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的精細(xì)的表面形態(tài)（見(jiàn)圖1b）。在圖1中，利用自zui高峰頂向下1μm的截線(xiàn)c，分別與a、b兩種表面微觀結(jié)構(gòu)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(shí)具有相當(dāng)充分的儲(chǔ)油能力。如此的構(gòu)造，決定了有足夠的潤(rùn)滑劑在摩擦付表面貯存，潤(rùn)滑劑能將兩個(gè)摩擦付表面*的分離，以及做到在任何運(yùn)行狀態(tài)下磨損zui小。其機(jī)理是潤(rùn)滑油由於特殊的工件表面微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)將能在表面駐留很長(zhǎng)時(shí)間，并形成流體動(dòng)態(tài)壓力。理想狀態(tài)下，在潤(rùn)滑劑和施載體、受載體之間因粘著力而不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)只存在於潤(rùn)滑層內(nèi)部，因而不會(huì)產(chǎn)生工件的很大磨損。不同於上述活塞環(huán)-缸壁（缸孔內(nèi)壁或缸套內(nèi)壁）這組摩擦付，在發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞—連桿—曲軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，與曲軸中的連桿軸頸組成運(yùn)動(dòng)摩擦付的，并非直接是連桿大頭孔的內(nèi)壁，而是一對(duì)（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(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)，那怕是很小的錯(cuò)移，以免影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。為此，長(zhǎng)期以來(lái)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體上加工止口的方法，以防止產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。這已是很成熟的制造技術(shù)，沿用至今。但近年來(lái)，汽車(chē)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)和改進(jìn)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。而這一點(diǎn)也只能由連桿大頭孔內(nèi)壁的有特定要求的表面微觀結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和保證。那麼，該如何在工件表面產(chǎn)生和驗(yàn)證這些有特定要求的微觀結(jié)構(gòu)呢？
圖2連續(xù)紋理表面的粗糙度測(cè)量
2.加工工藝方法與工件的表面紋理
無(wú)論是缸孔還是連桿大頭孔，業(yè)內(nèi)現(xiàn)今采用的zui終精加工工藝仍是珩磨，通過(guò)精鏜工序之後的粗珩和精珩兩次珩磨（有時(shí)還會(huì)有半精珩），在工件表面進(jìn)行宏觀和微觀幾何加工。珩磨是利用油石、即砂條（一般稱(chēng)“珩磨條”）對(duì)工件進(jìn)行加工的一種工藝過(guò)程，在表面形成的微觀結(jié)構(gòu)雖然會(huì)有所差別，見(jiàn)前一節(jié)圖1a、b，但就其本質(zhì)來(lái)講，都屬於連續(xù)性的紋理狀，而這種形態(tài)又是一般傳統(tǒng)的切削型工藝方法所共有的。事實(shí)上，無(wú)論是精鏜、磨削，還是車(chē)、銑、刨，在工件表面形成的都無(wú)一不是連續(xù)性的紋理結(jié)構(gòu)。圖2是采用觸針/電感方式對(duì)這類(lèi)表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量的一張放大圖，再結(jié)合圖1的二幀示圖，可以得到這樣的結(jié)論：對(duì)應(yīng)於利用傳統(tǒng)工藝方法加工的工件表面，由於普遍呈現(xiàn)連續(xù)性的紋理結(jié)構(gòu)，因此，在取向相同的情況下，采取二維測(cè)量時(shí)在不同截面所獲得的測(cè)值具有可比性和趨同性。故在驗(yàn)證被加工面微觀形態(tài)的符合性時(shí)，采用二維測(cè)量是*可行的，zui多為了更加客觀起見(jiàn)，可選相距較遠(yuǎn)的位置多“拉”幾條線(xiàn)、即多測(cè)幾次而已。這種做法迄今還為國(guó)內(nèi)外制造業(yè)所廣泛采用。
3.工件表面微觀結(jié)構(gòu)符合性的驗(yàn)證
為確認(rèn)加工後的工件表面微觀構(gòu)造能滿(mǎn)足所要求的工藝性能，首先就要確立對(duì)應(yīng)的粗糙度評(píng)定參數(shù)，以對(duì)被檢表面的微觀特徵進(jìn)行有針對(duì)性的定量表述。以缸孔內(nèi)壁為例，如果僅采用ra、rz 等單一“振幅”類(lèi)（又稱(chēng)“高度”類(lèi)）參數(shù)，顯然不足以完成對(duì)表面的正確評(píng)價(jià)，而必須再導(dǎo)入一些綜合性的評(píng)定參數(shù)。在這些評(píng)定參數(shù)中，rk稱(chēng)為中心區(qū)峰谷高度，又稱(chēng)有效負(fù)荷粗糙度。從其形成的機(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(chēng)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(xiàn)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。下面一組來(lái)自某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廠缸孔內(nèi)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(xiàng)傳統(tǒng)的粗糙度評(píng)定參數(shù)同時(shí)對(duì)缸壁表面進(jìn)行監(jiān)控，分別為：ra 0.375~0.75，rz 3.0 ~5.0。
圖3 三種常選的溝槽造型結(jié)構(gòu)示意
至於對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁的評(píng)定要求，眼下多數(shù)國(guó)內(nèi)企業(yè)還只采用ra或rz，且通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，所設(shè)定的指標(biāo)值的分散性還較大，如在以ra為評(píng)定參數(shù)時(shí)，從ra0.2、ra0.3到ra1.6、ra2.0都有?？梢?jiàn)此時(shí)對(duì)孔壁微觀結(jié)構(gòu)的要求還是較寬松的。但如前所述，隨著近年來(lái)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)，對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁的微觀結(jié)構(gòu)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(xiàng)評(píng)定參數(shù)rz的值已不同於習(xí)慣表示，而是要求r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)為rpc（有時(shí)也被稱(chēng)為pc），即“標(biāo)準(zhǔn)化的輪廓波峰統(tǒng)計(jì)”，也可簡(jiǎn)稱(chēng)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，參見(jiàn)圖3。但必須指出的是：計(jì)數(shù)原則為輪廓線(xiàn)都超出邊界的上下限，而且需要將評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)的rpc轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度為10mm的標(biāo)準(zhǔn)距離。據(jù)此，評(píng)定指標(biāo)rpc min n （±c）的含義為：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rpc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
rpc 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≧rpc 170，而統(tǒng)計(jì)邊界為±0.3μm。
激光造型工藝與成型表面的特點(diǎn)
激光造型作為一種新工藝，直到本世紀(jì)初才在其誕生地—汽車(chē)工業(yè)強(qiáng)國(guó)德國(guó)的少數(shù)企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，但在用於發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體缸孔和連桿大頭孔精加工等關(guān)鍵工序的實(shí)踐中，已經(jīng)充分顯示了這種*技術(shù)的很大優(yōu)越性。近年來(lái)，激光造型在歐洲汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)界的應(yīng)用日益增多，并自2009年開(kāi)始，進(jìn)入了國(guó)內(nèi)的主流汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，展現(xiàn)了它十分廣闊的巿場(chǎng)前景。
圖4采用激光造型工藝加工後的缸孔
簡(jiǎn)單地說(shuō)，這項(xiàng)新技術(shù)就是利用激光頭所發(fā)出的數(shù)控激光光束在被加工表面制作出符合事先設(shè)定要求的表面微觀結(jié)構(gòu)的一種工藝方法。在實(shí)施表面造型的加工過(guò)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(dá)到氣化狀態(tài)。這種“激光刀”產(chǎn)生的光束的切削能力取決於脈沖頻率、功率、開(kāi)關(guān)時(shí)間和進(jìn)給速度等。由於溫度升高是瞬間產(chǎn)生的，并且具有很高的能量聚集密度，因此光束只在一個(gè)有限的局部做瞬間切削，工件材質(zhì)的特性不會(huì)由此而產(chǎn)生變化。另一方面，粘結(jié)在工件表面上的冷卻劑殘余物將被蒸發(fā)或燃燒，也不會(huì)影響到激光光束切削的質(zhì)量。造型設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)能驅(qū)使激光頭做上下和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并對(duì)光束的開(kāi)關(guān)時(shí)間和能量進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而使用戶(hù)能獲得不同要求的、可控的表面微觀結(jié)構(gòu)。
對(duì)於缸孔精加工工序而言，zui終獲得的理想表面，應(yīng)該是一個(gè)既有較高光潔度的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，又具有可控的、適量而又充足的微觀構(gòu)造，以使機(jī)油有較長(zhǎng)的駐留時(shí)間和良好的流體動(dòng)態(tài)壓力。為此，在引入了這項(xiàng)新技術(shù)後，選擇的是規(guī)整、均勻的溝槽方案，具有交錯(cuò)斷續(xù)或交叉點(diǎn)坑的分布特徵。圖3是常選的三種溝槽構(gòu)造形式：袋狀（左）、杯狀（中）和塊狀（右）。上述結(jié)構(gòu)的一個(gè)共同點(diǎn)是無(wú)交叉、不連通，各溝槽相互之間沒(méi)有任何，能有效存儲(chǔ)潤(rùn)滑油而不易流失，便於形成均勻油膜，使摩擦付處?kù)读黧w潤(rùn)滑狀態(tài)。由此，既保證了足夠的潤(rùn)滑，又阻止了過(guò)多的機(jī)油竄入燃燒室，還可減少應(yīng)力影響，對(duì)改善摩擦性能有很大好處。相比之下，傳統(tǒng)珩磨工藝在缸孔內(nèi)表面形成的往往是相互連通的網(wǎng)狀溝槽結(jié)構(gòu)，且表面粗糙度偏“粗”，導(dǎo)致儲(chǔ)油量過(guò)多。而采取鐳射造型工藝的結(jié)果是使?jié)櫥偷南牧繒?huì)有較大幅度的減少，涉及環(huán)保的指標(biāo)，如顆粒物排放和油粒排放則有明顯降低。圖4是采用這項(xiàng)新穎工藝加工的缸孔的實(shí)況，從圖中可見(jiàn)，真正實(shí)施鐳射造型的只是位元於承受高負(fù)載的缸孔上死點(diǎn)附近進(jìn)行的區(qū)域，以保證活塞環(huán)在該區(qū)域受到高負(fù)荷時(shí)的良好潤(rùn)滑。圖4其實(shí)是汽車(chē)已運(yùn)行十多萬(wàn)公里、再拆解後的缸壁表面情況，在圖中，無(wú)論是造型形成的規(guī)則溝槽，還是下部珩磨加工的網(wǎng)紋都清晰可見(jiàn)。這也說(shuō)明了利用鐳射造型技術(shù)可使磨損大幅度降低，從而延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。相比缸孔在整個(gè)園周范圍實(shí)施燒蝕造型，連桿大頭孔精加工在引入這項(xiàng)新技術(shù)後，只是在孔圓周的4個(gè)矩形表面上進(jìn)行造型，圖5中四個(gè)箭頭所指處的局部陰影區(qū)域即是。那每一塊造型區(qū)域又有多大呢？若某小排量轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭孔的外徑一般不超過(guò)50mm，厚度不超過(guò)20mm，則取高（軸向）為13~15mm，寬（圓周向）度、既弧長(zhǎng)則稍大些，但一般不用長(zhǎng)度單位mm表示，而采用對(duì)應(yīng)的角度標(biāo)注，約為35°。
圖5大頭孔圓周上的造型區(qū)
如前所述，缸孔激光造型乃是在其表面上加工出規(guī)則、均勻的溝槽。而對(duì)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(wú)疑兩者是不一樣的，所產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)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(xiàn)的工藝性能就是確保與軸瓦間有足夠的摩擦力，因此規(guī)則、均勻的程度，以及燒蝕造型過(guò)程中衍生的一些粘結(jié)熔堆和氧化物不會(huì)影響其工藝效果。
通過(guò)以上介紹可看到，經(jīng)激光造型形成的工件表面微觀構(gòu)造，與傳統(tǒng)的工件經(jīng)切削加工後的成型面有很大差別，zui大的不同是後者為連續(xù)性的紋理結(jié)構(gòu)，而前者則具有斷續(xù)性、不連貫的特徵。兩者之間的這個(gè)差別導(dǎo)致在進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)定時(shí)，若還是把二維測(cè)量、評(píng)價(jià)的方式用於執(zhí)行鐳射成形的工件表面就會(huì)產(chǎn)生較大誤差。一個(gè)顯見(jiàn)的事實(shí)是，如前所述，對(duì)工件加工面的技術(shù)要求，在若乾重要部位還需滿(mǎn)足相關(guān)工藝性能，指的都是配合面。 因此在理論上，當(dāng)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)時(shí)也應(yīng)該把“面”作為對(duì)象，之所以無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外一直沿用二維測(cè)量方法，正是利用了傳統(tǒng)切削加工形成的工件表面所具有的這種連續(xù)性紋理結(jié)構(gòu)特徵，而采取的一種“簡(jiǎn)化”方案。
圖6 經(jīng)激光造型後的工件表面示例
圖6的成型表面實(shí)例類(lèi)似於前面圖4的溝槽造型結(jié)構(gòu)，但表面上也存在少量不高的凸起（即白色區(qū)域）。圖6中，左邊的為“袋狀”，右邊的為“杯狀”。假如以圖中的紅線(xiàn)作為二維測(cè)量時(shí)的測(cè)針運(yùn)行軌跡，就可能得出以下的一些評(píng)定結(jié)論：
如圖中顯示的狀態(tài)，所得到的結(jié)果應(yīng)該是相同的，這只要從對(duì)應(yīng)於下方的二維測(cè)量截線(xiàn)就能看出。而事實(shí)上，即使就取圖中這一塊平面來(lái)看，左邊的袋狀構(gòu)造較之右邊的杯狀，其儲(chǔ)油空間要大的多。
即使是對(duì)同一個(gè)表面，只要稍稍移動(dòng)一下測(cè)針的測(cè)量軌跡，也會(huì)得出*不同的結(jié)果。設(shè)想把左（或右）圖中的紅線(xiàn)稍稍下移，就會(huì)造成只測(cè)到一個(gè)溝槽、甚至測(cè)不著的情況，從而得出與圖6*不一樣的評(píng)定結(jié)論，顯然以上者兩種情況都說(shuō)明，此時(shí)若再沿用二維測(cè)量方式是不可行的。
與表面微觀結(jié)構(gòu)三維測(cè)量相對(duì)應(yīng)的評(píng)定參數(shù)
表面微觀構(gòu)造的二維評(píng)定參數(shù)，其實(shí)也同樣適用於利用鐳射造型技術(shù)加工出的表面。因?yàn)殡m然兩者的工藝過(guò)程不同，但配合面需符合的要求、即應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的工藝性能是*一樣的。然而，若再采用二維測(cè)量的方法來(lái)檢驗(yàn)經(jīng)鐳射造型後形成的表面就會(huì)出現(xiàn)很大的誤差，為了更確切地驗(yàn)證此時(shí)工件表面的微觀構(gòu)造是否符合所要求的工藝性能，必須采用“三維評(píng)價(jià)”做法，并建立了相應(yīng)的評(píng)定參數(shù)和檢測(cè)方法。
事實(shí)上，除個(gè)別參數(shù)外，三維評(píng)定參數(shù)都是建立在二維評(píng)定參數(shù)的基礎(chǔ)上的，且均可以一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)然，就現(xiàn)今已應(yīng)用於實(shí)際也即已創(chuàng)建的參數(shù)的數(shù)量來(lái)看，3d參數(shù)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(xiàng)目。以下是一個(gè)對(duì)照表，列出了部分常用的評(píng)定參數(shù)。
以zui常用的“振幅”類(lèi)評(píng)定參數(shù)之一的ra為例，其含義是在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，經(jīng)濾波後的全部輪廓偏距值的算術(shù)平均值，可表述為：
對(duì)應(yīng)的3d評(píng)定參數(shù)則可以表述為：
不同於2d類(lèi)的評(píng)定參數(shù)所采取的采樣、數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)都是囿於一個(gè)截面，即只是在工件被檢表面上的一個(gè)法向截面進(jìn)行，3d類(lèi)參數(shù)則有所不同。它的測(cè)量對(duì)象并非工件表面上的一個(gè)截面，而是一個(gè)區(qū)域，至於到底如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量、評(píng)定則可以有不同的方式。
另一個(gè)常用的二維評(píng)定參數(shù)rz往往被稱(chēng)為十點(diǎn)高度，其含義是在經(jīng)濾波後的輪廓評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)，5個(gè)zui高的輪廓峰高值和5個(gè)zui低的輪廓谷深值的高度的平均值。rz可以用下式表達(dá)：
式中的p代表zui高的5個(gè)峰值，v代表zui低的5個(gè)谷深值。
而對(duì)應(yīng)的3d評(píng)定參數(shù)的表述形式為：
實(shí)際上，兩者的表達(dá)方式*一樣，只是rz僅反映了一個(gè)截面的范圍，而sz反映了一個(gè)區(qū)域，故後者表達(dá)式中的峰高和谷深*有可能不在同一個(gè)截面。
在眾多3d評(píng)定參數(shù)中，ssc是極個(gè)別的無(wú)法與2d參數(shù)相對(duì)應(yīng)、且具有*內(nèi)涵的一項(xiàng)評(píng)定參數(shù)，被稱(chēng)為波峰曲率算術(shù)平均值，其含義為：在被測(cè)表面輪廓范圍內(nèi)，被測(cè)得的眾多波峰zui大曲率的平均值。借助ssc，就能較全面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(duì)弄清和更全面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(shù)學(xué)表達(dá)式為：
傳統(tǒng)檢測(cè)手段在表面三維測(cè)量中的應(yīng)用及其不足
對(duì)於表面微觀結(jié)構(gòu)的二維測(cè)量，無(wú)論采樣、數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)都是基於工件被檢表面的某個(gè)法向截面。而三維測(cè)量則*不同，它的測(cè)量對(duì)象并非工件表面上的一個(gè)截面，而是某個(gè)區(qū)域。此時(shí)，如果仍采用傳統(tǒng)的觸針式檢測(cè)方法，就必須逐個(gè)在m個(gè)平行的法向面上進(jìn)行測(cè)量，zui終根據(jù)這m個(gè)二維測(cè)量的采樣結(jié)果來(lái)做數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)，以反映出被測(cè)區(qū)域的表面微觀特徵。m一般大於100?？梢圆捎门c進(jìn)行2d參數(shù)檢測(cè)時(shí)*相同的粗糙度儀實(shí)現(xiàn)3d參數(shù)檢測(cè)，只是必須增添能提供新的二項(xiàng)功能的相關(guān)硬體、軟件：精密微動(dòng)工作臺(tái)和3d數(shù)據(jù)處理軟件。實(shí)際測(cè)量過(guò)程如下：
如前所述，大頭孔的造型面乃是圓周上的四塊，故實(shí)施檢測(cè)時(shí)需分別進(jìn)行，再統(tǒng)一分析，這就得裝夾、調(diào)整4次才能完成一個(gè)工件的測(cè)量。
測(cè)頭是沿著圓周方向移動(dòng)的，每完成一次類(lèi)似於2d的粗糙度測(cè)量後，工作臺(tái)的伺服電機(jī)就會(huì)帶動(dòng)工件平移一個(gè)微小距離e，然後再進(jìn)行下一次測(cè)量。
對(duì)大頭孔上每一塊造型面的測(cè)量，并不是覆蓋其整個(gè)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?yàn)?mm。
具體的儀器設(shè)置為：取樣長(zhǎng)度lc0.25mm，測(cè)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(cè)頭沿圓周測(cè)量時(shí)的走向，2.5μm是采樣密度；y方向是工作臺(tái)每次微動(dòng)距離，也即每相隔2.5μm將測(cè)一次；y方向的長(zhǎng)度是0.5mm，因此完成對(duì)整個(gè)截取面的檢測(cè)需要測(cè)量201次（條）。
由於配備了三維測(cè)量軟件，因此在對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的基礎(chǔ)上，就能按照產(chǎn)品（圖紙）技術(shù)要求中規(guī)定的評(píng)定參數(shù)，對(duì)被測(cè)工件的鐳射造型表面做出評(píng)價(jià)，主要的評(píng)定指標(biāo)的設(shè)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(píng)價(jià)時(shí)所采用的2個(gè)二維評(píng)定參數(shù)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(píng)價(jià)工件造型表面的工藝性能，但所采用的三維評(píng)定參數(shù)為sa和ssc，它們的含義在前一節(jié)已作了詳細(xì)說(shuō)明。事實(shí)上，選擇sa和ssc顯然能更確切地反映出對(duì)連桿大頭孔內(nèi)壁微觀結(jié)構(gòu)的要求。
當(dāng)選擇所列的設(shè)置值對(duì)連桿鐳射造型表面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用的評(píng)定參數(shù)事實(shí)上就是sa和ssc這兩項(xiàng)，且明確規(guī)定了只有當(dāng)符合：sa≥0.18μm，ssc≤0.052 1/μm時(shí)，才算合格，即能滿(mǎn)足相應(yīng)的工藝性能的要求。
上述建立在傳統(tǒng)測(cè)量原理基礎(chǔ)上的表面形貌三維檢測(cè)方法存在的先天不足，主要表現(xiàn)在：
效率太低。以上面描述的對(duì)連桿大頭孔鐳射造型面的測(cè)量過(guò)程為例，即使只測(cè)其某一塊（約10×12mm2）中的一個(gè)區(qū)域，耗時(shí)也要近40分鐘，若考慮到輔助時(shí)間，完成該工件全部檢查任務(wù)需時(shí)甚至?xí)_(dá)三個(gè)小時(shí)。
檢測(cè)質(zhì)量較差。鑒於以下一些原因，決定了利用傳統(tǒng)方式進(jìn)行三維測(cè)量難以得到理想的結(jié)果：
-區(qū)域面積掃描時(shí)由多次單一線(xiàn)掃描拼合而成，線(xiàn)掃描之間的表面形貌資訊丟失。
-觸針式探頭的尺寸導(dǎo)致了在測(cè)量維納米結(jié)構(gòu)和陡峭變化表面時(shí)容易出錯(cuò)。
圖7基於自動(dòng)變焦三維測(cè)量原理的檢測(cè)儀器
-探頭在粗糙的表面上移動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生橫向偏離和跳動(dòng)，導(dǎo)致滑動(dòng)不流暢及產(chǎn)生的測(cè)量軌跡非一條直線(xiàn)而是有扭動(dòng)的線(xiàn)。此外，在材料偏軟時(shí)會(huì)在表面形成劃痕。
以上因素都會(huì)影響三維測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，使檢測(cè)質(zhì)量變差。
自動(dòng)變焦三維形貌測(cè)量技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用
光學(xué)法用於工件表面三維形貌測(cè)量迄今真正在主流制造業(yè)獲得實(shí)際應(yīng)用很少見(jiàn)。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的二維測(cè)量技術(shù)尚能滿(mǎn)足極大多數(shù)現(xiàn)有的工藝方法，另一方面，光學(xué)測(cè)量方式在技術(shù)上也確有自身的一些局限性，制約了它們形成有效的產(chǎn)品。但不久前出現(xiàn)的自動(dòng)變焦三維形貌測(cè)量技術(shù)使這一局面發(fā)生了很大的變化，而基於這一原理研制的商品化儀器也已在諸多領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，尤其是在zui苛刻的汽車(chē)制造業(yè)。
圖8連桿大頭孔測(cè)量?jī)x
圖7是由（德）alicona公司基於這一工作原理開(kāi)發(fā)的三維形貌測(cè)量?jī)x，圖7a是儀器的基本型，此時(shí)被測(cè)工件是在靜態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。其工作原理的要點(diǎn)如下：光學(xué)系統(tǒng)在沿z軸移動(dòng)（圖7b）的過(guò)程中連續(xù)地、逐層掃描被檢工件的表面，從聚焦不足一直掃描到聚焦過(guò)度，這樣在每個(gè)表面上的每一個(gè)點(diǎn)就都有一條相對(duì)應(yīng)的對(duì)比度變化曲線(xiàn)，其中的峰值所對(duì)應(yīng)的z軸位置、即該點(diǎn)能被*聚焦的位置，也就是該點(diǎn)在表面上的z軸位置。光學(xué)裝置下端是物鏡，而另一端是反映影像的ccd，據(jù)ccd上所獲得的被測(cè)表面上數(shù)千萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的z軸位置建立的三維模型，就能獲得表面的三維形貌，或只取其中的粗糙度。z軸的位移精度很高，解析度可達(dá)10nm，而逐層掃描的間隔和掃描的面積則是可調(diào)的。當(dāng)檢測(cè)的要求只是工件的表面粗糙度，垂直方向（z軸）的測(cè)量范圍就較小，如定為20μm，如此時(shí)選間隔值為0.1μm，即每相隔0.1μm拍一張，那麼完成全部逐層掃描就得拍200張照片。在掃描面積較小時(shí)，整個(gè)測(cè)量過(guò)程將在不到1分鐘內(nèi)完成。自動(dòng)變焦三維測(cè)量?jī)?yōu)於其他光學(xué)方法的重要一點(diǎn)就是既能對(duì)工件表面的細(xì)微處也能對(duì)宏觀外形進(jìn)行、快捷的檢測(cè)。alicona公司所研制儀器的zui大測(cè)量高度，即軸向掃描范圍可達(dá)23mm，而zui大掃描面積為100mm×100mm，與前面提到的逐層間隔一樣，這些參數(shù)都是預(yù)先設(shè)置的。
但為了對(duì)圖5所示的連桿大頭孔的激光造型面進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，就必須再在圖7基本型儀器的基礎(chǔ)上予以專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在特殊的載物工作臺(tái)等機(jī)構(gòu)上，見(jiàn)圖8。從圖中可以看出，工件固定於一裝夾單元，而在被測(cè)的大頭孔內(nèi)有一可回轉(zhuǎn)的反射棱鏡。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)後先後停留在4個(gè)位置，分別對(duì)準(zhǔn)4個(gè)鐳射造型面，每個(gè)之間的間隔是90°。連桿大頭孔測(cè)量?jī)x對(duì)被測(cè)表面的逐層掃描乃是通過(guò)由物鏡透出的光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)反射鏡水準(zhǔn)地投到連桿大頭孔內(nèi)的鐳射造型面上。由於整個(gè)檢測(cè)均自動(dòng)進(jìn)行效率很高，加上工件的裝卸也不過(guò)短短的幾分鐘，相比前面介紹的傳統(tǒng)方法，工效提高了幾十倍。
表2是自動(dòng)變焦三維測(cè)量技術(shù)與其他三種國(guó)內(nèi)外有較多工業(yè)應(yīng)用的光學(xué)法在表面檢測(cè)能力上的一個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比，從中對(duì)這項(xiàng)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)越性可見(jiàn)一斑。