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[摘要] 本文系统地阐述了汽车空调CAD 系统设计方法的基本内容，对汽车空调CAD 系统设计中的设计规划图、功能模型图、IDEF0 图、程序流程框图等内容进行了分析和介绍，为汽车空调CAD 系统设计方法的推广打下了基础。
关键词：汽车空调 CAD 系统结构 功能模型 工作流程

计算机辅助设计是一门新兴的综合学科，它充分利用计算机的硬件和软件环境，使计算机技术和
各种不同领域中的工程问题相结合，即把各种工程设计中所涉及的设计理论，计算方法以及设计人员的经验与计算机的精密计算、图形绘制、数据库和图形库等有机地结合起来，从而改变了传统产品设计和工程技术设计的方法[1]。利用CAD 手段进行设计与开发可缩短设计周期、提高设计能力、保证设计质量、适应多品种要求，使其经济效益大大改善。

汽车空调CAD 是指以计算机为辅助手段来完成整个汽车空调设计过程。过程包括：制定任务规划书，确定方法和绘制任务的方法树；对功能进行模块划分，用IDEF0 图明确各模块之间的相互关系；根据功能模块，确定系统的程序工作流程和对软、硬件的资源进行最佳配置等几个步骤，本文就这些步骤对汽车空调CAD 系统设计的方法作初步研究[3]。

1 设计原理

汽车空调机组主要由四大部件组成：（1）压缩机；（2）冷凝器；（3）蒸发器；（4）节流装置。

1.1 压缩机选型及热力计算[2]

汽车压缩机是汽车空调的心脏，它起着输送压缩制冷剂蒸气、保证制冷循环正常工作的作用。选型时根据空调机组要求的制冷量选定压缩机的型号，使压缩机的额定制冷量与空调机组的名义制冷量基本相等，确定压缩机的结构尺寸和运行工况参数。根据这些参数对压缩机进行热力计算，得到压缩机的实际制冷量和实际输气量等性能参数值。

1.2 冷凝器、蒸发器设计[2] 由机组的制冷量和压缩机的输气量进行计算，确定两器的实际尺寸及其它性能参数。

1.3 节流装置设计[2]

汽车空调的节流装置主要是热力膨胀阀。另外还有组合式阀、H 形膨胀阀、膨胀节流管以及电子膨胀阀等。节流装置的设计根据空调机组的实际制冷量进行计算，确定节流装置的型号尺寸。

2 汽车空调CAD 系统的任务规划

汽车空调CAD 系统分为三大模块：设计计算模块、辅助绘图模块、打印输出模块，如图1 所示。三大模块中以设计模块为主。设计模块提供交互式制冷系统热力设计的界面，通过建立热力系统数据库，减少查表的麻烦；设计模块还可进行压缩机的选型计算及冷凝器和蒸发器的设计计算。辅助绘图模块在计算完成全部结构参数以后生成系统的工程图，有二维图、三维图、三维动画造型的自动生成等。打印输出模块根据用户的要求，通过打印机等输出设备为用户输出设计图纸。


图1 汽车空调CAD 系统的结构
3 汽车空调CAD 系统的模块划分

系统设计是按软件工程的基本思想及模块化、信息传递标准化和分布式控制方式进行的。模块划分，首先必须对CAD 系统的任务进行规划，确定完成该任务的各功能模块，以及各功能模块的相互关系和信息流。

汽车空调的CAD 设计分为汽车空调的工况条件、系统设计、图形管理和控制模块。各模块之间的关系见图2。它反映了汽车空调CAD 设计思想和建模过程以及各功能模块之间的关系。


图2 汽车空调CAD 各功能模块图
4 汽车空调CAD 系统功能分析方法IDEF0

IDEF 的基本概念是在20 世纪70 年代提出的结构化分析方法基础上发展起来的。结构化分析方法在许多应用问题中发挥了很好的作用。特别是在降低开发费用，减少系统错误，促进交流的一致性以及加强管理等方面都产生了效益。

IDEF0 方法通过建立模型来理解汽车空调系统：IDEF0 是一种图形语言，用于全面地描述汽车空调系统。它通过一系列的描述和图示，表达汽车空调系统的活动、数据和它们之间的联系，从而达到全面地描述汽车空调系统的目的。

IDEF0 的每个模型是由建立在某一观点之上的分层图形组成。由不同观点所建立模型的全体可得到汽车空调系统的、完整的视图描述。


图3 汽车空调设计的IDEF0 功能模型图
5 汽车空调CAD 系统主流程图

汽车空调设计主要是制冷循环热力计算及系统四大部分的设计计算。系统主流程图表述了空调设计的主要过程，根据设计主流程完成整个设计，如图4 所示，其它过程由于篇幅有限恕不在这里论述。主流程按四大部件设计过程进行。根据制冷量的输入进行热力计算从而获取压缩机的各项性能；打开数据库进行压缩机的选型，同时把计算结果存入数据库；压缩机设计符合要求后进行冷凝器、蒸发器的设计，并保存计算结果；最后进行节流装置设计。


图4 汽车空调设计主流程图
在主流程中建立支持设计的全局系统数据库及局部数据库，系统数据库中存放系统设计中所需的设备信息数据。

6 结论

汽车空调CAD 系统可缩短设计的开发周期，满足市场瞬息变化的需要。我们所做的工作仅仅是确定汽车空调的整体设计方案，是汽车空调设计中的一个主要环节，对整个设计起着框架和决策作用，是下一步详细设计的基础。要完成汽车空调标准软件的研制，还包括工程数据库、专家系统、图形库、标准件库的建立等。另外，汽车空调CAD 系统的必由之路将是和汽车其它部分的设计集成起来，这样才能更有效地提高生产和经济效率。

参考文献
1 刘文剑，常伟，金天国，柏合民. CAD/CAM 集成技术. 哈尔滨工业大学出版社，2000
2 方贵银，李辉. 汽车空调技术. 机械工业出版社，2002
3 赵汝嘉. CAD 基础理论及应用. 西安交通大学出版社，1995
        
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 1. 表面粗糙度理论与标准的发展

表面粗糙度标准的提出和发展与工业生产技术的发展密切相关，它经历了由定性评定到定量评定两个阶段。表面粗糙度对机器零件表面性能的影响从1918年开始首先受到注意，在飞机和飞机发动机设计中，由于要求用最少材料达到最大的强度，人们开始对加工表面的刀痕和刮痕对疲劳强度的影响加以研究。但由于测量困难，当时没有定量数值上的评定要求，只是根
据目测感觉来确定。在20世纪20～30年代，世界上很多工业国家广泛采用三角符号(▽)的组合来表示不同精度的加工表面。

为研究表面粗糙度对零件性能的影响和度量表面微观不平度的需要，从20年代末到30年代，德国、美国和英国等国的一些专家设计制作了轮廓记录仪、轮廓仪，同时也产生出了光切式显微镜和干涉显微镜等用光学方法来测量表面微观不平度的仪器，给从数值上定量评定表面粗糙度创造了条件。从30年代起，已对表面粗糙度定量评定参数进行了研究，如美国的Abbott就提出了用距表面轮廓峰顶的深度和支承长度率曲线来表征表面粗糙度。1936年出版了 Schmaltz论述表面粗糙度的专著，对表面粗糙度的评定参数和数值的标准化提出了建议。但粗糙度评定参数及其数值的使用，真正成为一个被广泛接受的标准还是从40年代各国相应的国家标准发布以后开始的。

首先是美国在1940年发布了ASA B46.1国家标准，之后又经过几次修订，成为现行标准ANSI/ASME B46.1-1988《表面结构表面粗糙度、表面波纹度和加工纹理》，该标准采用中线制，并将Ra作为主参数；接着前苏联在1945年发布了 GOCT2789-1945《表面光洁度、表面微观几何形状、分级和表示法》国家标准，而后经过了3次修订成为GOCT2789-1973《表面粗糙度参数和特征》，该标准也采用中线制，并规定了包括轮廓均方根偏差(即现在的Rq)在内的6个评定参数及其相应的参数值。另外，其它工业发达国家的标准大多是在50年代制定的，如联邦德国在1952年2月发布了DIN4760和DIN4762有关表面粗糙度的评定参数和术语等方面的标准等。
以上各国的国家标准中都采用了中线制作为表面粗糙度参数的计算制，具体参数千差万别，但其定义的主要参数依然是Ra(或Rq)，这也是国际间交流使用最广泛的一个参数。

2 表面粗糙度标准中的基本参数定义

随着工业的发展和对外开放与技术合作的需要，我国对表面粗糙度的研究和标准化愈来愈被科技和工业界所重视，为迅速改变国内表面粗糙度方面的术语和概念不统一的局面，并达到与国际统一的作用，我国等效采用国际标准化组织(ISO)有关的国际标准制订了GB3505-1983《表面粗糙度术语表面及其参数》。GB3505专门对有关表面粗糙度的表面及其参数等术语作了规定，其中有三个部分共27个参数术语：

a. 与微观不平度高度特性有关的表面粗糙度参数术语。其中定义的常用术语为：轮廓算术平均偏差Ra、轮廓均方根偏差Rq、轮廓最大高度Ry和微观不平度十点高度Rz等11个参数。

b. 与微观不平度间距特性有关的表面粗糙度参数术语。其中有轮廓微观不平度的平均间距Sm、轮廓峰密度D、轮廓均方根波长lq以及轮廓的单峰平均间距S等共9个参数。

c. 与微观不平度形状特性有关的表面粗糙度参数术语。这其中有轮廓偏斜度Sk、轮廓均方根斜率Dq和轮廓支承长度率tp等共5 个参数。

3 精密加工表面性能评价的内容及其迫切性

表面粗糙度参数这一概念开始提出时就是为了研究零件表面和其性能之间的关系，实现对表面形貌准确的量化的描述。随着加工精度要求的提高以及对具有特殊功能零件表面的加工需求，提出了表面粗糙度评价参数的定量计算方法和数值规定，同时这也推动了国家标准及国际标准的形成和发展。

在现代工业生产中，许多制件的表面被加工而具有特定的技术性能特征，诸如：制件表面的耐磨性、密封性、配合性质、传热性、导电性以及对光线和声波的反射性，液体和气体在壁面的流动性、腐蚀性，薄膜、集成电路元件以及人造器官的表面性能，测量仪器和机床的精度、可靠性、振动和噪声等等功能，而这些技术性能的评价常常依赖于制件表面特征的状况，也就是与表面的几何结构特征有密切联系。因此，控制加工表面质量的核心问题在于它的使用功能，应该根据各类制件自身的特点规定能满足其使用要求的表面特征参量。不难看出，对特定的加工表面，我们总希望用最(或比较)恰当的表面特征参数去评价它，以期达到预期的功能要求；同时我们希望参数本身应该稳定，能够反映表面本质的特征，不受评定基准及仪器分辨率的影响，减少因对随机过程进行测量而带来参数示值误差。

但是从标准制定的特点和内容上我们容易发现，随着现代工业的发展，特别是新型表面加工方法不断出现和新的测量器具及测量方法的应用，标准中的许多参数已无法适应现代生产的需求，尤其是在一些特殊加工场合，如精加工时，用不同方法加工得到的Ra值相同(或很相近)的表面就不一定会具有相同的使用功能，可见，此时Ra值对这类表面的评定显得无能为力了，而且传统评定方法过于注重对高度信息做平均化处理，而几乎忽视水平方向的属性，未能反映表面形貌的全面信息。近年来在表面特性研究的领域内，相对地说，关于零件表面功能特性方面的研究本身就较为薄弱，因为它牵涉到很多学科和技术领域。机器的各类零件在使用中各有不同的要求，研究表面特征的功能适应性将十分复杂，这也限制了对表面形貌与其功能特性关系的研究。

工业生产的飞速发展迫切需要更加行之有效且适应性更强的表面特征评价参数的出现，为解决这一矛盾，各国的许多学者都在这方面加大研究力度，以期在不远的将来制订出一套功能特性显著的参数。另一方面，为了防止“参数爆炸”，同时也防止大量相关参数的出现，要做到用一个参数来评价多个性能特性，用数量很少的一组参数实现对表面的本质特征的准确描述。

4 表面粗糙度理论的新进展

表面形貌评定的核心在于特征信号的无失真提取和对使用性能的量化评定，国内外学者在这一方面做了大量工作，提出了许多分离与重构方法。随着当今微机处理技术、集成电路技术、机电一体化技术等的发展，出现了用分形法、Motif法、功能参数集法、时间序列技术分析法、最小二乘多项式拟合法、滤波法等各种评定理论与方法，取得了显著进展，下面对相对而言比较成熟的分形法、Motif法、特定功能参数集法进行介绍。

1) 分形几何理论

最近，国内外在表征和研究机加工表面的微观结构、接触机理和表面粗糙度等方面越来越多地使用分形几何理论这一有力的数学工具。研究表明，很多种机加工表面呈现出随机性、多尺度性和自仿射性，即具有分形的基本特征，因而使用分形几何来研究表面形貌将是合理地、有效地。确定分形的重要参数有分形维数D 和特征长度A，它们可以衡量机加工表面轮廓的不规则性，理论上不随取样长度变化和仪器分辨率变化，并能反映表面形貌本质的特征，能够提供传统的表面粗糙度评定参数(如Ra、Ry、Rz等)所不能提供的信息。美国TopoMetrix公司生产的扫描探针显微镜(SPM)软件体系中，已将分形维数作为评价表面微观形貌的参数之一。

机械加工表面分形维数表达了表面所具有的复杂结构的多少以及这些结构的微细程度，微细结构在整个表面中所占能量的相对大小。分形维数越大，表面中非规则的结构就越多，并且结构越精细，精细结构所具有的能量相对越大，具有更强的填充空间的能力。

Mandelbrot于1982年在Weierstrass函数基础上提出一种分形曲线的函数表达式，称为Weierstrass-Mandelbrot函数，结合工程表面的特性，往往将W-M函数写成如下形式。

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

Z(x)为机械加工表面轮廓。这样，就在工程表面的函数描述中引入了分形维数D这一参数，式中rn是表面上各次谐波的频率。它的取值范围取决于采样长度L和采样的最高分辨率，即截止频率，A为特征长度。对W-M函数求功率谱可以得到

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

轮廓的功率谱服从幂定律，在式(2)两端取对数为

lgs(w)=B+klgw    (3)
B=2(D-1)lgA-lg(2lnr)
k=2D-5

在双对数坐标lgs(w)-lgw中，k是斜率，w是截距，从上式可以看出分形维数D决定着图线的斜率，特征长度A和分形维数D决定着图线的位置(截距)。因此对于机械加工表面，可以通过其双对数坐标下的功率谱图，由(3)式算得分形维数D和特征长度A。

分形理论在实际应用中还有许多工作有待进一步研究。一是并非所有表面都具有分形特征，分形维数能否完全表征实际表面，还有待进一步研究；二是现有的分形数学模型并没有考虑表面的功能特性，也没有一种方法能唯一确定分形参数。

2) Motif法

随着制造技术的不断进步，表面质量不仅表现为表面的形状误差、波度、表面粗糙度等要求，而且对表面的峰、谷及其形成的沟、脉走向与分布等也有要求，需要对与表面功能密切相关的表面纹理结构进行综合评定。显然，现在普遍采用的以2维参数为基础的表面形貌评定方法过于注重高度信息，对高度信息做平均化处理，而几乎忽视水平方向的属性，不能反映表面的其实形貌。

Motif法基于地貌学理论从表面原始信息出发，不采用任何轮廓滤波器，通过设定不同的阈值将波度和表面粗糙度分离开来，强调大的轮廓峰和谷对功能的影响，在评定中选取了重要的轮廓特征，而忽略了不重要的特征，该方法被引入法国汽车工业表面粗糙度和波度标准，也已制订成国际标准ISO12085。


图1 粗糙度Motif
Motif由两个单个轮廓峰的最高点之间的基本轮廓部分组成，两个峰之间的谷为一个单个的Motif，如图1 所示，并用平行于轮廓的总走向的长度AR，垂直于基本轮廓总走向的两个深度Hj和Hj+1，以及特征量T(T=min[Hj，Hj+1])表征。在设定阈值条件下，Motifs经过不断的合并，得到评定表面功能的Motifs集合，ISO12085推荐的参数见表1。

表1 Motif法的表征参数
     原始轮廓    粗糙度参数    波纹度参数
轮廓总高度    Pt         Wt
Motifs的平均深度         R    W
Motifs的最大深度         Rx    Wx
Motifs的平均间距         AR    AW
Motif的合并应遵循4个条件，否则2个相邻的峰不能被合并，只能作为单个的Motif处理。

a. 包络条件如果两个相邻Motif的中间峰大于两边的峰，则2个Motif不能合并。
b. 宽度条件2个相邻Motif合并后的长度不大于A(对表面粗糙度Motif)或B(对表面波度)，则可以合并。预先设定的Motif宽度的最大值A可以分离表面粗糙度和表面波度，实际上即为阈值。设定的B值则可以分离波度和残留形状。
c. 扩大条件2个Motif合并后的高度必须大于或等于原来的2个Motif。
d. 深度条件单个Motif的高度必须小于合并后Motif高度的60%。

Motif法仅用7个参数就能对表面粗糙度和波纹度进行完整的描述，它尤其适合没有预行程或延迟行程的轮廓；在未知表面和过程上进行技术分析；与表面的包络面相关的性能研究；辩识粗糙度和波度具有相当接近波长的轮廓。Motif法以宽度阈值代替取样长度，自动给定截止波长，真实匹配轮廓的局部特征，评定参数少。但是Motif法的四个合并条件是来自多年的实践工作经验，缺乏理论依据，并且三维Motif仍没有统一的定义和合并准则。

3) 特定功能参数集

在工程应用中，机加工的许多零件表面需要具有特定的功能特性，如支承性能、密封性和润滑油滞留性能等。基于这些功能需求，零件表面就必须被设计、加工成特定的形貌以满足预期的应用。所以我们有必要定义特定的功能参数来有效地表征零件表面的特殊属性，零件表面从接触应用角度(如摩擦磨损，润滑，密封紧密性，接触应力，接触刚度、承载面积和热导率等)和非接触应用角度(如光学镜头，表面维护和表面油漆处理)来看，其在功能方面的特殊属性要求是极其广泛的。在实际工程应用中应针对表面特殊性能要求设定功能参数集。比较典型的是表征具有高预应力表面的基于轮廓支承度率曲线的Rk功能参数集。

在20世纪80年代初，Trautwein提出了一个关于Abbott-Firestone曲线的两段线性模型，他用这个模型去表示缸膛表面的特征。从这个模型中还引伸出一个被称为液体滞留容积的参数。最近，又有学者把Abbott-Firestone曲线分成三个区域，并在此基础上提出了Rk参数集，该参数集也正式地被写进德国DIN4776标准。这个参数集主要是用于表征具有高预应力的表面，如珩磨表面、抛光表面、磨削表面等，这些相关的参数将轮廓支承度率的增长描述成粗糙度轮廓深度的函数，结合气缸套的平台网纹本身的特点及气缸套的工作状况，确立了基于轮廓支承度率曲线的参数指标，这套评定指标能够对气缸套内表面粗糙度轮廓的磨合特性、润滑特性、网纹分布等进行对应的定量分析，实现完整、准确地描述及评价气缸套平台网纹。

轮廓支承长度率曲线tp(c)，又称Abbott-Firestone曲线，是描述轮廓形状的主要指标。tp(c)能直观地反映零件表面的耐磨性，对提高承载能力也具有重要的意义。在动配合中，值tp值大的表面，使配合面之间的接触面积增大，减少了磨擦损耗，延长零件的寿命。从tp(c)曲线的特征可以看出，它对气缸套内孔表面耐磨性能、润滑性能，使用寿命等都有非常重要的意义。为此设定了一组基于轮廓支承长度率曲线的参数集，对应气缸套的实际工作状况，对tp(c)曲线进行量化的描述，如图2所示，粗糙度轮廓及对应的tp(c)曲线被分为三个部分，分别为轮廓峰、核心轮廓和轮廓谷。


图2 基于Abbott曲线的评定参数
a. 简约峰高RPK 是指粗糙度核心轮廓上方的轮廓峰的平均高度。表面轮廓顶部的这一部分，当发动机开始运行时，将很快被磨损掉，其减低的高度将影响气缸套进入正常工作状态的磨合时间，及实际材料磨损量。

b. 核心粗糙度深度RK 在分离出轮廓峰和轮廓谷之后剩余的核心轮廓的深度为RK。这一部分是气缸套长期工作表面，它影响着气缸套的运转性能和使用寿命，是粗糙度轮廓的核心部分。

c. 简约谷深RVK 是指从粗糙度核心轮廓延伸到材料内的轮廓谷的平均深度。这些深入表面的深沟槽在活塞相对缸套运动时，形成附着性能很好的油膜，在提高孔的耐磨性、缩短发动机磨合时间的同时，能大幅度降低油耗。

d. 轮廓支承长度率Mr1 以百分数表示的轮廓支承长度率Mr1是为一条将轮廓峰分离出粗糙度核心轮廓的截线而确定的。Mr1值是气缸套进入长期工作表面的上限，其数值的大小直接反映了气缸的加工水平和使用性能。

e. 轮廓支承长度率Mr2 以百分数表示的轮廓支承长度率Mr2是为一条将轮廓谷分离出粗糙度核心轮廓的截线而确定的。Mr2值是进入长期工作表面的下限，其数值的大小不但决定了磨损量，还决定了工作表面以下深沟槽的贮油、润滑能力。

f. 存油量V0 粗糙度核心轮廓向下延伸到材料内的轮廓谷的横截面积实际上就是深沟网纹的存油量V0，它是tp(c)曲线与右边纵轴及Mr2对应的截线构成的阴影部分面积，它对缸套的润滑性能无疑有重要意义。它近似为三角形面积：V0≈(100-Mr2)×RVK/2。

图中参数的确定需要使用一条回归线，回归线的40%以上的部分是tp(c)曲线上的点构成，回归线在纵坐标方向上的差值平方最小，回归线与纵轴两交点之间的垂直距离即为核心粗糙度深度RK，两交点对应的截线位置即为Mr1、Mr2对应的截线位置。

对于Rk参数集的功能特征参数，其定义方法在于把Abbott-Firestone曲线分成不同的部分以对应不同的功能区域。虽然这些方法可以成功地用来表征特定的一些工程表面，但是由于它主要是基于制造工艺经验，缺乏理论依据，这种方法在表征大多数其它的工程表面时会失去原有的意义。

5 结语

表面形貌极大地影响着零件的使用性能，合理地表征和评定表面形貌是一项具有重要意义的课题，表面粗糙度理论及标准在不足百年的时间内得到了巨大的发展，随着当今微机处理技术、集成电路技术等的发展，出现了时序分析法、最小二乘多项式拟合法、滤波法、分形法、Motif法、功能参数集法等各种评定方法，取得了诸多进展，但是它们只能得到真实表面的有限信息，仍然存在一些问题有待完善：

1) 表面轮廓微观统计特征的全面准确描述问题；
2) 表面轮廓为随机过程，评定参数的值并不确定，由此产生了测量不确定性问题；
3) 评定参数的相互关系以及参数数目越来越多的参数爆炸问题；
4) 表面轮廓的测量结果受测量基准和仪器分辨率影响的问题；
5) 表面粗糙度参数与使用性能不能完全对应的问题。       
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[摘要] 本文介绍了汽车仪表板材料的应用现状、分类和常用材料的特性和优缺点，综述了近年来TPO、TPU车用GMT 材料及镁合金压铸在汽车仪表板上的应用及发展概况，国内外在汽车仪表板材上的新材料的采用和开发情况，并提出了今后的发展趋势。
关键词：仪表板 材料 发展

1 前言

为创造更舒适、更安全而豪华的车内乘坐空间，人们一直追求高档次、高质量的汽车内饰。因此内装
饰制品多采用复合材料来满足软饰化、纤维化、木纹化、真皮化等各种内饰要求，使汽车内饰材更加趋于多样化和高级化，从而造成成本提高和不利于材料再生利用的后果。既要满足材料再生利用的要求，又满足顾客的不同追求和低成本是非常困难的事，只能设法保持一定的平衡。

2 发展现状

目前汽车上使用的仪表板可分为硬质仪表板和软质仪表板。随着轿车上安全气囊的安装，软质仪表板已失去安全性的要求，因此只要外观质量得到解决，采用低成本的硬质仪表板完全可行。

传统硬质仪表板一般使用在轻，小型货车上，一次注射成型。这种仪表板尺寸很大而且没有蒙皮，表面质量要求非常高，同时要求高温耐热，刚性，因此与其他内饰制品不同，尽管牺牲了材料流动性，仍需多点注入口。采用多点注入口容易产生熔接痕和流痕，多数场合其制品表面需要涂装。材料可用改性PPO、ABS 树脂、填充PP。ABS 树脂的耐热性、窗玻璃的模糊性、玻璃上的倒影等问题有待解决；填充PP 需要改善制品表面的缩孔和窗玻璃的模糊性。最近发展的气体辅助注射成型法，采用一点注入口也能够克服表面缩孔的形成和溶解痕的发生，同时提高制品的刚度。

软质仪表板由表皮、骨架、缓冲材料等三部分构成。一般档次的轿车采用PVC/ABS 片材真空吸塑成型仪表板表皮，如一汽捷达，上海桑塔纳轿车。中高档次轿车上采用粉末PVC 搪塑成型仪表板表皮，如一汽奥迪、小红旗轿车。骨架材料有金属板（如奥迪和小红旗）、硬纸板（如捷达和桑塔纳），也有ABS、AS/GF、改性PP 等。
3 常用材料特性

仪表板是汽车最主要的内饰件，目前除少量采用金属制造外，几乎全部用塑料制造。主要的仪表板塑料材料有聚氯乙烯和ABS 树脂。

（1）硬质聚氯乙烯 相对密度为1.38～1.43kg/m3，约为钢重量的1/5。机械强度高，电性能优良，对酸碱抵抗力极强，化学稳定性很好。其耐热性低，线膨胀系数比较大。硬质聚氯乙烯主要缺点是热稳定性差，受热引起不同程度的降解。

（2）软质聚氯乙烯在组分中加入大量的增塑剂，就可以制得柔软而富于弹性的软制聚氯乙烯。由于增塑剂的加入，使塑料的可塑性、柔软性增高，但却使力学性能下降。软质聚氯乙烯对应变敏感，变形后不能完全复原；其耐热性比硬质聚氯乙烯更差，且在低温时变脆，但加入增塑剂可使耐寒性得到改善。

（3）ABS 树脂不透明、着色性好、无毒无味、不透水、略透水蒸气、吸水率低，不易燃烧。ABS树脂有极为优良的抗冲击强度，在低温下也不会迅速下降。也有较好的抗蠕变性能和耐磨性。ABS 树脂的电性能在较大的频率变化范围内很稳定，且温度、湿度对其电性能影响小。ABS 树脂对水、无机盐、碱和酸类几乎无影响。

由于PVC 和ABS 加工制造成本较低以及性能优良，仍然被广泛的应用在仪表板上，但它的主要缺点如上文所述。软质仪表板由3 种以上的材料构成，材料再生利用非常困难。

4 仪表板材料的最新进展

4.1 TPO 在仪表板中的应用

为了提高内饰材料的再生利用性和舒适性，内饰材料的发展总趋势是聚烯烃和聚酯纤维。传统的PVC表皮材料逐渐用聚烯烃系热塑性弹性体TPO 取代，因为TPO 和PP 能够相溶而且容易回收利用。为了便于回收利用，正在发展热塑性聚烯烃表皮（TPO），改性聚丙烯骨架，聚丙烯发泡材料构成的仪表板。捷达轿车的仪表板表皮正在进行TPO 材料的试验工作。欧洲生产的欧宝Vetra II型车上已装出TPO 仪表板表皮50 万套。

硬质仪表板多用PPO、ABS/PC 和改性PP 材料。最近发展的气体辅助注射成型，采用一点注入口也能够克服表面缩孔的形成和熔接痕的发生，同时提高制品的刚度。

4.2 TPU在仪表板中的应用

与PVC 相比，TPU 的优点是：抗紫外线和长期热老化性能好，密度低15%，且可在原用PVC 的加工设备上生产。今后，这种新型TPU 将在北美普遍采用，其材料价格大概比PVC 高出3 倍多。但是采用TPU从经济角度考虑是合算的。其原因是TPU 密度较小且可省去若干项其他工序和操作。Bayer 公司和Textron汽车公司共同开发了热塑型聚氨酯（TPU）仪表板面层Texin DPT-3014，以取代PVC，并用于ChryslerConcorde，Chrysler LHS，Chrysler 300M 等车型上。

4.3 车用GMT材料的应用

GMT(Glass Mat-Reinforce Thermoplastics)材料属于热塑性复合材料，它以热塑性树脂作基体，用短切玻璃纤维毡或连续玻璃纤维毡作增强材料，最外层为基体树脂，中间为树脂层和增强材料层交替铺叠所形成的夹层结构。由于聚丙烯树脂具有良好的性能价格比，因此是目前世界上应用最广泛的基体树脂。用不同材料的玻璃纤维毡和热塑性树脂基体可以复合出不同品种与规格的GMT 材料。

GMT 材料有四大优势，即：生产周期短、生产率高；废料可再生利用；工作环境比较清洁；制品耐冲击、耐疲劳、防腐性能好；其密度低而比强度高；成型温度低（低于 300°C），成型加工周期短，能耗低；设计自由度大，易于实现复杂制件一次成型；被损坏制品易于修复；绝热性强；良好的电绝缘性能；良好的耐化学腐蚀性。由于GMT 材料具有上述诸多优点，因而世界各大汽车公司纷纷看好GMT 材料，车用GMT 材料的消耗量稳步增长。

BMW850 轿车、Mercedes-Benz S 级和C 级轿车仪表板骨架均选用GMT 材料。如德国RURGERS 公司以GMT 为原料生产的Mercedes-Benz E 级轿车的仪表板骨架，所用GMT 材料的玻璃纤维含量为30%。

4.4 镁合金压铸在汽车仪表板中的应用

近年来，镁合金压铸（以下简称镁压铸）的汽车零部件在欧美日等发达国家汽车工业中的应用出现了持续快速增长势头，如仅1996～2000 年全球用于汽车零部件的镁量平均每年递增15%以上。目前镁的主要应用领域是镁铝合金，如按这一发展速度进入21 世纪，镁压铸结构件将成为镁最主要的应用领域。镁压铸的快速增长主要是由欧美地区发达国家汽车工业面临要求汽车重量轻、油耗少、环保的挑战而促成的。

德国奥迪公司于20 世纪80 年代研制成功第一个镁压铸仪表板并应用于V-8 型奥迪轿车中。由于AM系列镁合金有很高的伸长率，奥迪公司用该系列合金研制成一种一片式轻型压铸结构件，用于安装汽车速度表，收音机及储物盒，该部件在冲击试验中只能被撞弯而不会被撞断，表现出良好的抗冲击性能，而其重量则大大轻于原来的钢结构件，例如奥迪V-8 型轿车的镁压铸仪表板重量仅为4.3kg。采用一片式压铸件的仪表板还可省去原来用钢结构件时所必需的许多零部件。由于其显著的优点，这一新设计现已被欧美汽车工业界普遍采用。

已采用这类镁压铸仪表板的有通用\奔驰、克莱斯勒、菲亚特-阿尔法等汽车公司。目前至少有20 款以上车型正在采用或研制这类镁压铸仪表板。正在使用的最大款型为重量达15kg 的通用汽车“G”型前卫车上的仪表板。如今全世界采用这类结构件的汽车超过300 万辆。Meridian 公司在这一领域里卓有成就，其产品的主要客户之一是美国通用汽车公司。这一领域里的发展趋势是：部件的表面积变大，集成更多的功能，单位价格下降。从发展趋势看，基于塑料、钢等材料的仪表板将被镁合金压铸结构件取代。

参考文献
1 王力. 汽车用非金属材料最新进展. 汽车工艺与材料. 2002(8/9): 72～74
2 李尹熙. 中国汽车用塑料的现状和发展方向. 汽车工艺与材料. 2000(1):1～3
3 戴干策. 车用GMT 材料应用现状与发展预测. 材料·工艺·设备，1999（7）：25-27
4 陈力禾. 镁合金压铸及其在汽车工业中的应用.铸造. 1999（10）：45～47
      
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摘要：研究了汽车用碳纤维复合摩阻材料在实际工况下的摩擦磨损特性，分析了碳纤维含量及碳纤维的强度、表面状态等对磨损机制的影响。实验研究结果表明，碳纤维复合摩阻材料的磨损性能、工作寿命与抗热衰退性能均明显高于传统的石棉摩阻材料。
关键词：碳纤维 摩阻材料 摩擦磨损特性

前言

用传统的石棉摩阻材料制成的汽车制动器衬片，不但污染环境有致癌作用，而且工作寿命低，其在25
0℃ 以上工作时有热衰退现象。因此，近二十年来世界各国都对石棉摩阻材料的生产与使用加以限制，并致力于研究新一代摩阻材料来取代石棉摩阻材料。本研究工作在 采用正交设计优化了碳纤维复合摩阻材料的基础上，针对汽车制动器衬片的实际工况，研究了碳纤维复合摩阻材料的摩擦磨损特性及磨损机制。本研究结果为研制碳 纤维复合材料汽车用制动衬片打下了基础。

1 实验材料、内容及方法

1.1 实验材料的成分设计与制备

实验材料系用碳纤维作增强纤维，改性酚醛树脂作粘接剂并辅有各种性能调节剂与填料的多元组分体系。在材料成分配方设计中，采用了L16（45）正交优化设计方法，并经多轮实验后，确定了碳纤维复合摩阻材料的经济实用型配方（见表1）：

表1 实验用碳纤维复合摩阻材料的成分

注：碳纤维分别选用吉林炭素厂与辽源市碳纤维厂生产的高碳纤维、低碳纤维与预氧纤维，并按不同强度的碳纤维组分进行实验。
按上述配方（其中碳纤维的强度不同），将各组分经过均匀混料、干燥处理后，用热模压成型压制成碳纤维复合材料汽车制动衬片试样[2]。

1.2 摩擦磨损实验

在MM－200 磨损实验机上进行磨损实验，实验参数为：

摩擦压力F=200kN
转速n=400 rad/s
摩擦配副为直径φ40mm，材质为HT400 的磨轮。

采用感量万分之一的精密天平称量试样的磨损量。在JSM－5310 型扫描电子显微镜上观察磨损面的表面形貌。

磨损实验结果处理后的数据见表2：

表2 磨损实验结果处理
图1 与图2 为碳纤维表面经过改性处理与未经改性处理的SEM 照片。


图1 经表面处理的碳纤维摩阻材料的SEM 照片 图2 未经表面处理的碳纤维摩阻材料的SEM 照片
1.3 在D－MS 实验机上进行热衰退实验

在300℃实验温度条件下，分别按摩擦系数和磨损率进行实验分析各组分的影响次序。实验结果见表3。

表3 碳纤维不同表面状态时的热衰退实验结果
2 实验结果与分析

2.1 碳纤维对摩阻材料摩擦磨损特性的影响

2.1.1 碳纤维含量对摩擦磨损特性的影响

碳纤维含量是影响本摩阻材料摩擦磨损性能的重要因素。实验结果表明：当碳纤维含量较低时（15%~19%）摩擦系数与磨损率随碳纤维含量的增加而减少；而当碳纤维含量较高（19%~25%）时摩擦系数与磨损率都随着碳纤维含量的增加而增大。

出 现第一种现象是因为碳纤维属“乱层石墨”式结构，其本身具有良好的自润滑性能，能起一定的减摩作用，致使摩擦系数减小[5]。在滑摩时，发生在摩擦界面上 因碳纤维引起的犁削阻力较小，故此时碳纤维的减摩作用明显，因而会呈现随碳纤维含量增加摩擦系数与磨损率随之减小的现象。

出现第二种现象 是因为当碳纤维含量相当高时，由于碳纤维比强度、比模量很高，故滑摩时的犁削阻力相当大，远远超过了碳纤维的减摩作用，从而呈现出摩擦系数随碳纤维含量的 增加而增大的现象。同时，当犁削阻力大于碳纤维机体的结合强度时就会发生磨损，故随着碳纤维含量的继续增加，磨损率也会增大。

2.1.2 碳纤维表面状态对摩擦磨损特性的影响

对碳纤维需进行表面处理，以达到强化与粘接剂改性酚醛树脂的润湿与粘接的目的。

将对碳纤维进行表面改性处理的与未经处理的试样进行对比实验。碳纤维进行表面改性处理的工艺是：将碳纤维置于50％的硝酸水溶液中处理24h 后取出，用水冲洗干净并作干燥处理后，再进行混料。

碳 纤维与基体的粘接力在很大程度上取决于其表面性质。未经表面改性处理的碳纤维，由于其表面惰性，与粘接剂的相溶性差，致使摩阻材料的抗剪强度低，当对碳纤 维进行表面改性处理后，会使其表面的沉积物减小，表面粗糙度增大，进而提高强度并增大摩擦系数，有利于提高锚固作用。图3 与图4 为碳纤维表面经改性处理与未经改性处理的摩擦材料的摩擦系数和磨损率对比。


图3 碳纤维不同表示形态时的摩阻材料的摩擦系数 图4 碳纤维不同表示形态时的摩阻材料的摩损率
经 过改性处理的碳纤维与基体结合好而紧密。这是因为经处理后碳纤维表面含氧官能团增多，提高了碳纤维与粘接剂的反应性，因而碳纤维自身的浸溶性提高，也增加 了碳纤维与粘接剂的结合强度。因此，经改性处理后的碳纤维复合摩阻材料表面现出较好的摩擦磨损性能。图5 是用23%的碳纤维所制成的制动衬片的温度与摩擦系数，时间与摩擦系数的关系。


图5 摩擦系数与温度和时间的关系
2.1.3 碳纤维强度对摩擦磨损性能的影响

实验结果表明碳纤维强度越大，用其增强的摩阻材料的磨损系数也越大。这是因为碳纤维的比强度和比模量越高，摩擦时抗犁削阻力就越大，因此摩擦系数也越高。

2.2 碳纤维对摩阻材料抗热衰退性的影响


图6 碳纤维的疲劳特性 图7 碳纤维的蠕变特性
碳 纤维复合摩阻材料具有较高的强度( sb =17MPa， t = 90MPa)，弹性模量（125GPa），故其具有较高的疲劳特性、蠕变特性（图6、图7）[1]。此外它还因碳纤维具有良好的导热性，高温性能好，故在 高温条件下能减小犁削深度并减小材料表面层的剥落，抵御磨料运动的能力增强。所以碳纤维复合摩阻材料的抗热衰退性能好，明显优于石棉摩阻材料与半金属摩阻 材料。在D－MS 实验机上将碳纤维复合材料制动器衬片与日本产的半金属制动器衬片和国产石棉制动器衬片进行的对比实验结果见表4。

表4 三种制动器衬片摩擦磨损性能对比实验结果
经 在中科学院长春应用化学研究所进行热重分析（TAG），测定摩阻材料不同深度表面层中有机组分的含量，进而求出热影响表面层的深度。测定结果为：碳纤维摩 阻材料的热影响表面层深度小于0.55mm，石棉摩阻材料为0.75mm，这证明了由于碳纤维导热率高，会使材料内场的温度梯度下降，热分解层薄，因而碳 纤维摩阻材料在很高的温度时摩擦磨损性能很稳定，提高了工作性能和抗热衰退性能。其主要性能指标达到了GB5736－1998《汽车用制动器衬片》的标准 值：

摩擦温度 100℃ 250℃ 300℃
摩擦系数 0.42±0.06 0.42±0.09 0.42±0.1
磨损率 ≤0.10 ≤0.41 ≤0.60

2.3 碳纤维复合材料的磨损特性与磨损机理

2.3.1 碳纤维复合摩阻材料的摩擦磨损特性

由于碳纤维具有很高的强度和弹性模量，并且具有很好的耐蠕变性、导热性，将其进行表面改性处理后，以较高的组分制成的碳纤维复合摩阻材料具有良好的摩擦磨损特性。

在工作温度低于250℃时，碳纤维复合摩阻材料的摩擦系数较高，且稳定在0.32~0.44 之间，在此温度范围之内磨损率变化也很小。

在滑摩速度为0.6m/s，载荷为200kN 时，碳纤维复合摩阻材料的磨损特性相当稳定，且回复性好，抗热衰退性能好，基本上不发生蠕变。

2.3.2 碳纤维复合摩阻材料的磨损机理

在 工作状态下，碳纤维复合摩阻材料制成的制动衬片与制动盘滑摩时，摩阻材料的磨损与比压和滑摩速度成正比。在工作过程中，其接触压和磨损是在内外侧交替进行 的，最终会使摩擦衬片沿径向的磨损保持均匀。在制动时，第一阶段因滑动速度较高在摩阻材料表面的磨损机制主要是犁削磨损。随着制动过程的进行，第二阶段磨 损除了犁削磨损外还有粘着磨损，磨屑中有显微切屑与片状剥落。由于碳纤维复合摩阻材料表面层强度高，耐疲劳性好，故能有效地抵御制动盘的磨料压入，而使犁 削深度和表层材料的转移磨失体积减小。在温度升高时，由于碳纤维自身具有强度高、导热性与减摩性能好，故能有效地降低粘着磨损，减少剥离磨损。在反复制动 的动态接触中，因其磨损系统呈现“衬片均匀磨损”特征，再加之碳素纤维具有良好的导热性和耐蠕变性，故碳素纤维复合磨阻材料具有较高的摩擦磨损性能。

3 结论

目 前国内外对开发新型摩阻材料及对其磨损机理的研究已进行了大量的工作。但因碳纤维复合摩阻材料是一种新型复合材料，其工作过程的磨损是涉及到摩擦系统的外 部条件和材料组成因素的复杂的物理—化学过程，对其摩擦学性能的研究大多都局限于一定的试验条件或以经验为依据。有关其磨损机理的研究和磨损模型的建立还 有待于继续深入与完善，本文主要结合轿车盘式制动器摩擦块的国产化，采用碳纤维作增强纤维，通过系统试验分析，得出了碳纤维复合摩阻材料的磨损特性及其优 点如下：

1）碳纤维复合摩阻材料是性能优异的新一代摩阻材料，其摩擦系数较高，抗热衰退性能好，工作寿命是石棉摩阻材料的2~3 倍。

2）碳纤维的组分与表面状态、强度对碳纤维复合摩阻材料的摩擦磨损性能有显著的影响，本研究中通过优化碳纤维含量（19%~25%），选用高强度并经表面改性处理的碳纤维设计的复合摩阻材料，具有较高的摩擦磨损性能。实际应用时，呈现出摩擦平稳和良好的制动性能。

3）碳纤维复合摩阻材料的磨损机制主要是犁削磨损和粘着磨损 。由高强度、耐疲劳、导热性好且具有减摩作用的碳纤维组分制成的复合摩阻材料能减小犁削深度，降低粘着磨损。

参考文献
1 李尹熙、骆秀云．汽车塑料应用手册．北京：机械工业出版社，1989
2 韩英淳．碳纤维复合材料汽车用无石棉制衬动片的研制．汽车工程. 2002：24（1），46~50
3 国家汽车质量监督检验中心．碳纤维复合材料汽车用石棉制动片性能检测报告．长春，1998，10
4 Orthwein W C. Clutches and Brakes. New York: 1986.
5 郑林庆．摩擦学原理．北京：高等教育出版社，1994
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1 引言

在精密零件的磨削加工中，圆弧形面的磨削尤其是轴承外环内滚道和内环外滚道的磨削是一个技术难点，而砂轮的修整对磨削精度起着重要作用。传统的砂轮修整是通过砂轮修整笔进行手工修整，或者采用成型修整器(如滚轮)进行修整。但这两种方法修整后的砂轮都会产生圆弧形状误差，影响加工后工件的形状精度。影响砂轮修整精度的原因有两方面：一是修整器本身的精度；二是操作不当。
如在使用砂轮修整笔手工修整砂轮时，若工人操作不当，使修整器与过砂轮中心线的水平面偏离，则在修整笔尖A处，修整笔的运动轨迹在水平面内为圆弧曲线2，而在OA平面内砂轮的截面形状却是椭圆弧1，由此造成砂轮修整的形状误差(如图1所示)。


图1 砂轮修整笔尖与砂轮中心不在同一水平线造成的误差
此外，由于待修砂轮圆弧直径不同，因此修整时需要很多不同半径的成型修整器，既增加了修整器的数量，使用起来也十分不便。因此我们设计了可调式多功能砂轮修整器，下面重点介绍其基本结构和工作原理。

2 结构设计及工作原理

可调式多功能砂轮调整器结构见图2。工作时将该修整器安装在磨床的工作台上，调整其高度，使修整笔1的笔尖与砂轮的中心同高。


图2 砂轮修整器的结构示意图
对于被修整砂轮的不同截面形状，可以通过移动中间轴6，进行不同齿轮的啮合来实现修整。

当需要修整的砂轮截面形状为圆弧时，通过手把9使中间轴6左移，使伞齿轮2、3啮合(如图2所示的位置)，同时使齿轮4与齿条5脱开。转动手把9，通过中间轴6、伞齿轮副2、3将转动传递到修整笔1上，使修整笔尖绕伞齿轮2的轴线旋转摆动，为了保证在使用时保持啮合状态，需通过？位装置7来实现。根据加工的要求不同，可通过转动右面的滚花转轮调整砂轮修整笔1笔尖的左右位置来实现对内外圆弧砂轮的修整(见图2)。具体方法是(见图3)：修整内圆弧砂轮时向左移动修整笔，修整的砂轮为外圆弧时，则调整砂轮笔向右移动，使笔尖向右超过转动轴轴线(即伞齿轮2的轴线)，砂轮修整圆弧的半径取决于笔尖与该转动轴线的相对移动距离。


图3 内外圆弧修整笔尖位置调整
当磨削平面、外圆柱面时，需要修整的砂轮截面形状平直，只需纵向移动修整笔，即可进行修整。移动手把 9使中间轴6向右移，此时伞齿轮副2、3脱开，齿轮4与齿条5啮合，再转动手把9，由齿轮4传动，通过齿条5使整个左端部分纵向移动并带动修整笔1纵向移动，实现对砂轮的修整。此时为防止伞齿轮2旋转，需用锁紧螺钉将其锁紧(图中未绘出)。修整器左右两个部分通过燕尾槽连接，并且要求其配合精度满足纵向移动的精度要求。

3 使用效果

该砂轮修整器可以通过快速调整方便地修整不同外形的砂轮；
可通过左右移动修整笔尖的位置来实现对砂轮不同截面圆弧半径的修整；
对于不同直径的砂轮，均可方便快捷地通过调整砂轮笔的高度来实现与砂轮中心的等高，提高修整后截面形状的精度。        
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当共挤出阻隔膜层时，保持吹塑薄膜质量的一种方法是实时膜厚控制，当膜厚数据被迅速地传送到工艺控制系统时，实时膜厚控制是最为有效的。许多吹膜生产线采用的是往复式电容测厚仪，当它被放在靠近膜泡的地方时，由于受到过程热量对材料介电常数的影响，常用阻隔材料如尼龙和EVOH的膜厚测量数据不准确。往复式电容测厚仪以外另一种手段是g核子感应器，当它绕膜泡旋转时，其精确性会受到扫描头位置局限性的影响。这是因为g射线感应器固有灵敏度受到与膜间距和膜泡微小摆动的限制。

位于美国马塞诸塞州格罗斯特市的巴顿菲尔·格罗斯特工程公司开发出创新的阻隔薄膜厚
度扫描仪，它精度高，能迅速将数据传送给工艺控制器。名为矩形框架式膜厚扫描仪，它采用一个固定的b探测器，在任何温度都能无接触式地对多层薄膜进行测量，并对于所有的阻隔性树脂均有效。同时它还能通过该公司的ExtrolTM专利工艺控制系统，提供实时的控制。


矩形框架式膜厚扫描仪采用中继方式，和其它测厚仪相比，数据
传输控制速度显著提高。
矩形框架式膜厚扫描仪安装在旋转往复式牵引装置和夹辊间，测量夹泡后的平折膜厚。扫描仪的b探测器安装在矩形的框架中，薄膜通过框架后分离。探测器能精确地扫描薄膜的两面，并在牵引装置只是旋转90度后传输数据。

据巴顿菲尔·格罗斯特公司的吹膜产品经理Carl Johnson先生介绍，大多数传统的固定测厚的感应器需要牵引装置完全旋转360度后才能计算薄膜厚度和传输数据，这个过程可能需花20分钟的时间。所以矩形框架式膜厚扫描仪不仅精确，而且采用中继方式传输工艺控制数据明显要比其它感应器迅速，仅需5到6分钟，刚好就在牵引装置完成第一次旋转之前。

扫描仪采用了复杂的信号处理算法，能使巴顿菲尔独有的Extrol控制系统将薄膜两侧的厚度数据精确地分开，确定出厚度精度。Extrol控制器以所获数据为基础，调整工艺参数，实现或保持一定的薄膜厚度，当使用重力测定和自动数据控制时，就能显著地减少膜厚的波动。

矩形框架式膜厚扫描仪通常被设计用来膜厚测量，但也可附带不同的感应器，例如红外线或原子射线，以提供有关阻隔膜层厚度的数据，并进行分离。扫描仪的非接触式操作使它极为适合用于对薄膜表面质量敏感的场合之中。

矩形框架式膜厚扫描仪消除了采用电容式料泡测厚仪时电介性波动的问题。与其它探测器相比，该探测器具有信噪比更强、时间常数更快和寿命更长的其它优势，它们都能造就更精确和更稳定的测量。

Carl Johnson先生介绍，矩形框架式膜厚扫描仪在价格上和往复式电容测厚仪相比具有竞争力。对于巴顿菲尔·格罗斯特公司新吹膜生产线，矩形框架式膜厚扫描仪为可选装置，同时它也可对巴顿菲尔配有Extrol 6032工艺控制系统的生产线进行改造。         
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  1 引言

高温合金是多组元复杂合金，具有优良的高温强度和热稳定性，在600～1100℃的氧化和燃气腐蚀条件下能长期工作，因而被广泛应用于航空、宇航、船舶及化学工业中。工业生产中通用的高温合金分为铁基、镍基和钴基三类，本文研究的为ВЖЛ1型(以下简写为此代号)镍基高温合金。

由于高温合金通常作为关键器件在高温和复杂应力条件下长期工作，
为了获得良好的性能，在加工过程中通常需添加各种元素和采用强化工艺，使得高温合金的切削(磨削)加工性能较差，主要体现在：

1) 磨削高温合金时，砂轮磨粒有较严重的磨耗磨损和粘附堵塞，磨削比很低(普通砂轮的磨削比G=1～2)；
2) 由于镍基高温合金材料中含有高熔点合金元素，具有碳化物相及金属间化合物g"相和g'相，易产生强烈的塑性变形，因而磨削力比一般钢料大得多；
3) 由于高温合金的热导率很低，因而磨削时传入工件的热量百分比较低，且热量集中在极薄的磨削表面层，使得磨削温度很高；
4) 在磨削力和温度的综合作用下，产生磨削烧伤，表面质量不易保证。

ВЖЛ1是沈阳黎明航空发动机集团研制的一种新型铸造镍基高温合金，实际生产中的加工性能较差，为了提高大批量生产的加工效率和质量，降低成本，研究其磨削加工性能具有十分重要的意义。

2 ВЖЛ1的化学成分和力学性能

ВЖЛ1的成份复杂，主要为镍(约≥60%)及Cr、W、Mo、Ti.、Al、C等几种元素，对一些微量组份(例如S、P、Mn、Si等)进行严格的控制，使其具有良好的高温强度和热稳定性，常温下拉伸强度sb≥670MPa，布氏硬度为300～600。ВЖЛ1各组成成份的含量见表1。表1 ВЖЛ1合金含量组成 %
元素    C    Cr    W    Mo    Ti    Al    Ni    Fe    B    Si    S    P
含量    0.10-0.17    15.0-17.0    2.0-2.5    3.5-5.0    2.0-3.0    2.0-2.8    基    ≤3.5    ≤0.13    ≤2.0    ≤0.02    ≤0.02
3 ВЖЛ1磨削性能的实验

1) 实验条件

试件：43.5×25×240mm铸件；实验磨削面尺寸：磨削长度l=43.5mm，磨削宽度b=10.0mm；加工设备：液压万能工具磨床MYA6025，内圆工具磨床MD215。

磨具材料：平磨125×32×15粒度100#CBN砂轮(浓度100%)，125×32×15粒度180#CBN砂轮(浓度100%)，125×32×15粒度80#白刚玉砂轮；内圆磨f10粒度120#CBN砂轮，f10粒度180#CBN砂轮(浓度100%)。

测试仪器采用Kistler压电三向动态测力仪9257B，Kistler电荷放大器5007，数据采样系统采用12位A/D接口卡，486微机，数据采集处理软件系统。

2) 实验方案

a. 磨削正交实验中，依据二因素三水平正交实验方案(见表2)用180#CBN砂轮进行磨削。

表2 磨削正交实验及结果
实验号    Fr
mm    Vs
m/s    Ft
N    Fn
N
1    0.01    17.52    17.45    27.21
2    0.01    25.96    12.60    23.22
3    0.01    32.45    7.97    15.64
4    0.02    17.52    30.02    45.56
5    0.02    25.96    23.05    39.46
6    0.02    32.45    15.72    25.74
7    0.03    17.52    42.69    62.30
8    0.03    25.96    33.84    55.45
9    0.03    32.45    25.92    44.49
b. 磨削力随磨削过程变化实验方案，分别用新修整过的WA 80#、CBN 100#、CBN 180#砂轮进行实验，记录实验的磨削力。方式：逆磨，实验次数：80～100次，参数：Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。

c. 修整方案，先进行修圆，采用金刚石笔修整法。白刚玉砂轮修整参数为：粗修Vs=25.8m/s，Fr=0.02mm，Fa=1mm/s，2次；精修Vs= 25.8m/s，Fr=0.01mm，Fa=1mm/s，2次；光修Vs=25.8m/s，Fr=0mm，Fa=1mm/s，2次；CBN砂轮的修整方案为：精修Vs=25.96m/s，Fr=0.01mm，Fa=1mm/s，4次；光修Vs=25.96m/s，Fr=0mm，Fa=1mm/s，2次。

d. 内圆磨削工艺实验 分别采用外径为f10的CBN120#和CBN180#的内圆磨砂轮对内孔径为f10的试件进行磨削工艺实验，磨削砂轮的转速为24000r/min，加切削液，测定粗糙度进行比对，然后检验加工质量，作为实际生产中的应用依据。

3) 磨削力经验公式

通过采用正交实验和多元线性分析可以得到磨削力经验公式为

Ft=104.32Fr0.924Vs-1.003
Fn=104.00Fr0.823Vs-0.741


式中Ft、Fn的单位为N，Fr的单位为mm，Vs的单位为mm/s。受实验条件的限制，把平台的移动速度固定为VW≈0.67m/min。

根据磨削力经验公式和进给量对磨削力的影响示意图(见图1、2)可以看出，用CBN 180#磨削ВЖЛ1的过程中，磨削力并不大，它随进给量Fr的增大而增大，随砂轮磨削速度的增大而明显降低，因此进给量对磨削力影响十分显著。


图1 进给量对磨削切向力的影响示意图 图2 进给量对磨削径向力的影响示意图
4) 磨削力随磨削过程变化的结果分析

a. 白刚玉进行磨削加工时的磨削力变化过程

变化过程曲线如图3所示。图中分别伴随以Ft、Fn的曲线为Ft和Fn的趋势线。在用刚玉砂轮进行加工的过程中，磨削力一直增大，在全部磨削过程中伴随有较严重的粘附现象，相当于一个磨损钝化的砂轮在磨削时，有时会因部分磨粒的脱落而使磨削力在一段时期内下降，到最后阶段砂轮的表面基本都被磨削材料覆盖，造成粘附的金属与被磨零件表面接触，因此Fn方向的力急剧增加，而Ft方向的力由于变成了滑动摩擦，故而变化不大。


图3 白刚玉砂轮磨削时磨削力随磨削过程的变化
虽然用刚玉砂轮磨削时磨削力不断增加，但在80次以前磨削力并不大，说明刚玉砂轮材料在少量磨削的情况下还是比较锋利的，效率较高，但在大量磨削情况则不易采用。

b. CBN 100#磨削加工时磨削力的变化

变化过程的曲线如图4所示，图中分别伴随以Ft、Fn的曲线为Ft和Fn的趋势线。由图可见，用刚修整过的砂轮磨削时，初期磨削力相对较小，随后磨削力迅速增至最大值，达到一定磨削力后再继续磨削，磨削力又有一定程度的降低，并达到一个较长的稳定阶段。工艺系统弹性变形使刀及刚修过的砂轮表面容易脱落，磨削力降低，实际磨削深度增大。由于砂轮表面磨粒数已基本稳定，磨粒迅速钝化，当磨削力不断增大到超过粘结剂及磨粒所能承受的程度时，磨粒开始脱落，使参与磨削的有效磨粒数减少，因而磨削力又有一定程度的下降，在降到一定程度后开始达到稳定状态，稳定状态开始的次数约为20～30次。CBN砂轮的稳定状态较长，说明CBN砂轮的耐磨性较好，磨粒不易磨钝。


图4 采用CBN100#磨料时磨削力随磨削过程的变化
c. 磨削加工时磨削力的变化

如图5所示，变化过程的曲线中同样伴随线为Ft、Fn的趋势线。由图可见，用CBN180#砂轮磨削时的磨削过程变化与CBN100#磨削过程基本相同。不同的是，CBN180#砂轮磨削力要小得多，这主要是磨削过程中磨粒更容易脱落，使得参与磨削的磨粒数减少，因此磨削力小。


图5 采用CBN180#磨料时磨削力随磨削过程的变化
5) 砂轮的磨削及磨损状况

a. 砂轮的表面状况

在磨削高温合金的过程中都伴随一定的粘附。刚玉磨料的粘附较为严重，原因是用刚玉磨削时，诸如Cr2O3、Al2O3等均属六方系统，有a-Al2O3结构，其点阵参数相近，会使Al、Cr、Ti等通过其表面氧化物与刚玉形成较强的粘附，只要用刚玉磨削高温合金，不管采取多大的磨削用量都会发生粘附；增大磨削深度ap会导致磨削力和磨削温度增大，粘附会相应增加。用CBN磨料磨削时，只有轻微的粘附现象，由于CBN砂轮的自锐性比较好，故两种砂轮的磨削力可以保持长期稳定阶段，说明了CBN砂轮对ВЖЛ1材料有良好的磨削性能。

b. 砂轮的磨损

用几种磨料磨削ВЖЛ1的磨削比如表3所示。用白刚玉或单晶刚玉磨削高温合金的磨削比通常比较低，而CBN100#砂轮在相同条件下有较高的磨削比，说明其磨削性能好；CBN180#砂轮磨削比较低，说明其良好的自锐性使表面的粘附少，适于对ВЖЛ1的精加工。

表3 磨削比
磨料    WA80#    CBN100#    CBN180#
磨削比(G)    1.174    8.92    1.11
注：磨削条件Vs=25.8m/s，Fr=0.01mm，VW=0.67m/min。
6) 磨削表面加工质量

磨削表面粗糙度与砂轮的单位面积磨粒数、磨粒分布及切削痕迹有关。在本次实验的粗糙度测试中，在相同条件下用三种磨料分别对高温合金ВЖЛ1和 K24进行磨削，其磨削情况的对比见表4。对高温合金的有进给平磨磨削中，CBN砂轮的磨削质量没有明显的改善，尤其在使用CBN180#的加工中，表面质量有所下降，说明在有进给加工中磨削效果较差，建议在生产中的最后精加工工序中采用精磨或无进给光磨，以提高其表面质量。

表4 ВЖЛ1和K24的表面质量对比(Ra/µm)
高温合金    磨料
WA80#    CBN100#    CBN180#
ВЖЛ1    1.06    1.0    1.93
K24    1.01    0.886    1.43
7) 内圆磨削工艺实验结果及分析

在ВЖЛ1内圆磨削时，为应用CBN砂轮提供实验依据和经验加工参数，特别用两种CBN砂轮对孔径为f的试件进行了工艺实验，实验结果见表5。从表中可以看出，用CBN内圆磨砂轮加工ВЖЛ1高温合金表面质量良好，粗糙度有明显的改善(<0.7)，建议采用的磨削速度为24000～30000r/min。

表5 内圆磨实验的表面质量
实验号    Ra (µm)
a    3.72
b    1.35
c    0.70
d    0.168
注：a——未经加工的试件，b——用CBN120#粗加工的试件，c——在实验b基础之上用CBN180#加工的试件，d——在实验c基础之上进行研磨抛光的试件，磨削条件为：加磨削液，加工速度为24000r/min。
8) 磨削加工中磨削液的选择

由于高温合金的导热性能较差，磨削时传入工件热量的百分比较低，磨削中产生的大量热量集中在极薄的磨削表面层，因而磨削温度很高，易使表面烧伤，产生烧伤裂纹，当表面金属收缩时，受内部金属的牵制，使磨后工件表面呈有害的拉应力，磨削精度降低，因此磨削时应注意在切削液充足的条件下进行，以便带走较多的切削热及冲洗试件和砂轮表面，从而获得较好的磨削质量。一般采用油基磨削液喷注冷却，以减少砂轮阻塞。

9) 磨削用量的合理选择

在高温合金ВЖЛ1的磨削加工中，一般采用较小的磨削余量、适中的工件速度和中等偏上的砂轮速度。磨削所留的余量应该比磨削碳钢时小一些，以减小磨削工作量，粗磨时一般留0.15～0.3mm，精磨时留0.03～0.05mm。实验表明，砂轮的线速度在25～30m/s左右时加工效果较好，也可采用高速磨削(40～60m/s)，这样金属切除率和磨削比将大大提高，但必须具备相应的设备和技术措施。工件速度对磨削烧伤影响较大，磨削高温合金时应适当提高工件速度，但不宜过高，否则会引起自激震荡。

4 结语

通过对镍基高温合金ВЖЛ1的磨削特性进行的实验研究，获得了不同磨料下磨削力、磨削表面状况和磨削比等基本特性随磨削过程变化的情况，得出了精磨时磨削力随磨削参量变化的经验公式，为生产实际提供了可靠的依据，在实际应用中得到了良好的效果。     
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