汽車用薄鋼板表面波紋度測量技術(shù)研究

摘要：通過對(duì)試驗(yàn)室A和試驗(yàn)室B開展汽車薄鋼板表面波紋度（Wa）的比對(duì)試驗(yàn)，分析了采用不同測量儀器對(duì)同一試樣測得的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大差別的現(xiàn)象，得出其原因：①鋼板表面各處Wa的不均勻性；②測針錐形尖端曲率半徑和圓錐的坡形角度不同；③設(shè)備使用導(dǎo)頭基準(zhǔn)與獨(dú)立直線基準(zhǔn)不同；④采用剪板機(jī)剪切的試樣平面度公差難以保證。要使檢測數(shù)據(jù)具有相互參考價(jià)值，應(yīng)該通過采用統(tǒng)一測量條件設(shè)置和融合試驗(yàn)室A方形試樣、尺寸便于區(qū)分軋向以及試驗(yàn)室B沖壓方式取樣平整的優(yōu)點(diǎn)來制訂新標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：汽車薄鋼板；表面波紋度；試驗(yàn)；試樣；標(biāo)準(zhǔn)差；標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TG84 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2011）04-0077-06

Research on the Automobile Sheet Steel Surface Waviness Measurement Technique

LUO Wu-si

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Shiyan 442001，China）

Abstract: Through the comparison test in the automotive sheet steel surface waviness（Wa）under the conditions of laboratory A and B，analyzing the large data differences of the same specimen measured by different instruments，reached the following reasons: ①The uneven nature of sheet steel surface Wa around；②The differences between measuring needle cone tip radius of curvature and the cone angle of the slope shape；③The differences between the head benchmark guide used by devices and the straight-line benchmark independent；④The difficulty in guaranteeing the flatness tolerance of the specimens sheared by the cutting board machine. In order to get mutual reference value of the test data，new standards can be made on the conditions:setting unified measurement conditions integrating the merits that the square specimens and size easily to distinguish rolling direction in laboratory A and smoothy specimens stamped in laboratory B.

Key words：steel sheet for automobile；surface waviness；testing；specimen；standard deviation；standard

表面波紋度是評(píng)價(jià)汽車面板彎曲不平表面不平度的一個(gè)指標(biāo)，是介于宏觀幾何形狀誤差和微觀表面粗糙度之間的一種表面形貌誤差。Wa值過大會(huì)影響接觸精度，對(duì)沖壓成形性能有很大影響，也直接影響汽車面板的涂裝性能和涂漆后的光澤度和鮮映性。Wa是由軋輥的形狀誤差及軋機(jī)振動(dòng)造成的汽車板周期性波浪型偏差，即表面輪廓長波成分組合的大小。可理解為在一個(gè)取樣長度L內(nèi)，檢測時(shí)直接獲得的實(shí)際表面斷面曲線經(jīng)過濾波所得曲線 g（x）偏離最小二乘中心線的平均距離，單位：μm，定義式:

1 表面波紋度試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 測量Wa的試樣尺寸和位置圖

圖1（a）是試驗(yàn)室A測量鋼板Wa采用的正方形試樣尺寸和測量位置圖。注意按圖1（a）軋制方向放置時(shí)，在試樣右上角標(biāo)明樣品編號(hào)。采用剪板機(jī)剪切方式獲得的試樣品質(zhì)受剪板機(jī)精度和操作人員的影響較大，試樣邊緣部分易產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，要注意保證裁剪試樣的平面度公差。試驗(yàn)室A既關(guān)心鋼板直角方向，也關(guān)心壓延方向的波紋度對(duì)沖壓的影響，所以上、下表面各測量6次。

圖1（b）是試驗(yàn)室B采用直徑為50 mm的圓形沖壓片試樣圖。優(yōu)點(diǎn)是取樣方便，缺點(diǎn)是評(píng)價(jià)長度小于100×100 mm方形試樣，不便于標(biāo)記樣品編號(hào)和軋制方向。試驗(yàn)室B只測量每面直角方向的3次Wa。

試驗(yàn)室A所在的汽車廠是薄鋼板的大用戶之一，Wa是其關(guān)心的指標(biāo)。要使檢測數(shù)據(jù)相互認(rèn)可，除了統(tǒng)一設(shè)備測量條件設(shè)置外，還需要融合試驗(yàn)室A的方形試樣及尺寸便于測量時(shí)區(qū)分軋向和試驗(yàn)室B的沖壓方式取樣平整的優(yōu)點(diǎn)制訂新標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 測量設(shè)備及條件設(shè)置

測量Wa采用三豐SV-3000 S4表面粗糙度測量設(shè)備。測針的錐形尖端曲率半徑2 μm；圓錐的坡形角度60°；測針在平均位置上的微測力0.75 mN。測量條件設(shè)置：測量長度48 mm；試驗(yàn)速度0.2 mm/s；取點(diǎn)的間距5 μm。評(píng)價(jià)條件選擇為：標(biāo)準(zhǔn)JIS2001；評(píng)價(jià)曲線種類W_J01；取樣長度8 mm；取樣區(qū)間數(shù)5；截止波長0.8～8.0 mm；濾波類型Gaussian；評(píng)價(jià)長度40 mm；加速段4 mm；減速段4 mm。試驗(yàn)室A采用長一些的40 mm評(píng)價(jià)長度可以更準(zhǔn)確地反映鋼板表面的自然波浪特征。

2 汽車板Wa不均勻性分析

2.1 同一位置連續(xù)采集數(shù)據(jù)分析

2.1.1Wa試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

表1是采用相同測量條件，在同一件牌號(hào)1，厚度0.7 mm（以下表格中未注明的材料牌號(hào)均選用牌號(hào)1）的方形試樣12個(gè)部位保持測針與試樣位置不動(dòng)，對(duì)每一個(gè)位置連續(xù)測量12次Wa數(shù)據(jù)表。最后一列顯示對(duì)應(yīng)每一個(gè)位置檢測的每一行Wa平均值都不相同，相互之間最大差值0.112 μm，表明Wa具有各處不均勻性。因此做比對(duì)試驗(yàn)時(shí)，要考慮雙方的測針尖端放置的位置不可能完全重合從而對(duì)測試數(shù)據(jù)帶來的影響。從最后一列看，壓延方向的Wa大于直角方向，屬于大多數(shù)范疇。表中最后一行顯示的每一列12個(gè)測量數(shù)據(jù)的平均值相互之間的最大差值僅為0.003 μm，說明每一列的平均值重現(xiàn)性好。

2.1.2 Wa數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分析

對(duì)同一被測量作n次測量，表征測量結(jié)果分散性的量可按下式算出:

表1中各行Wa的極差（單位：μm）依次為：（1）0.005、（2）0.006、（3）0.007、（4）0.005、（5）0.004、（6）0.009、（7）0.006、（8）0.011、（9）0.004、（10）0.009、（11）0.002、（12）0.004。表明即使在同一位置保持測針和試樣位置不動(dòng)進(jìn)行連續(xù)測量，也會(huì)產(chǎn)生0.002～0.011 μm不可避免的正常波動(dòng)。說明在Wa比對(duì)試驗(yàn)中存在一定的差異屬正常現(xiàn)象。以差值最大的第8行為例，其12個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為0.379 μm。可作為測量位置8的Wa約定真值，則每次獨(dú)立測量的殘差（單位：μm）依次為：（1）v=-0.003；（2）-0.004；（3）-0.004；（4）-0.003；（5）-0.003；（6）-0.004；（7）-0.001；（8）0.002；（9）0.005；（10）0.006；（11）0.005；（12）0.007。最大殘差為0.007 μm，小于三倍標(biāo)準(zhǔn)差（3σ=0.012 μm），表明這行數(shù)據(jù)是集中的。同時(shí)（0.007/0.379）×100%=1.85%，小于設(shè)備的校準(zhǔn)示值誤差≤±3%，表明測量設(shè)備的精度符合要求。

2.2 相鄰區(qū)域重復(fù)測量Wa波動(dòng)分析

2.2.1 Wa試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

表2是用同一臺(tái)測量設(shè)備，同一只測針，在相同測量條件下對(duì)同一件試樣12個(gè)位置，隔1天測量一次（列），共12天的Wa數(shù)據(jù)對(duì)照表，考核測針在各次測量中相同區(qū)域內(nèi)位置微小變化時(shí)測量數(shù)據(jù)的波動(dòng)。表2中測量位置1～3、4～6、7～9和10～12依次是試樣上表面壓延、直角方向和下表面壓延、直角方向的Wa測量數(shù)據(jù)。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果直觀分析

圖2是由表2第14列不同位置Wa平均值畫出的直方圖。由圖可見壓延方向數(shù)據(jù)較分散；直角方向Wa較齊，且同一面壓延方向的Wa值大于直角方向。直方柱高低不齊說明各個(gè)位置Wa分布具有不均勻性，相互之間最大差值0.116 μm。最后一列顯示，每一行12次測量結(jié)果相互之間的最大差值在0.037～0.073 μm之間，其中有6行≥0.050 μm，說明檢測Wa時(shí)，即使是相鄰位置有較大波動(dòng)也屬客觀存在的現(xiàn)象。

2.2.3 Wa數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分析

表2每一行Wa的標(biāo)準(zhǔn)差（單位：μm）依次為：（1）S=0.012；（2）0.013；（3）0.014；（4）0.016；（5）0.018；（6）0.012；（7）0.016；（8）0.015；（9）0.022；（10）0.018；（11）0.016；（12）0.017。以最后一列差值最大的第9行為例，其12個(gè)數(shù)據(jù)的平均值為0.398 μm。可作為測量位置9的Wa約定真值。則每一次測量的殘差（單位：μm）依次為：（1）v=0.010；（2）-0.024；（3）-0.015；（4）0.006；（5）-0.017；（6）0.013；（7）-0.018；（8）0.026；（9）0.019；（10）-0.036；（11）0.037；（12）-0.005。比表1對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)大，這是由于相同區(qū)域內(nèi)位置微小變化造成的。最大殘差為0.037 μm，小于三倍標(biāo)準(zhǔn)差（3σ=0.060 μm），說明這行測量數(shù)據(jù)是有效的。

表2中不同時(shí)間測量的每一行相鄰位置Wa差別較大表明：進(jìn)行Wa比對(duì)試驗(yàn)時(shí)，即使雙方都有相同的測量Wa試樣位置圖，指定了落針點(diǎn)，也不能保證測量時(shí)測針落在同一試樣的具體位置和走針路線完全重合。

表2第15行是12天測量同一試樣各次的Wa平均值，相互最大差值為0.011 μm。最后一行顯示各次12個(gè)位置之間的波動(dòng)范圍為0.107～0.166 μm，數(shù)值都偏大，再次證明了2.1節(jié)指出的汽車板表面各個(gè)位置Wa分布具有不均勻性。

2.2.4 驗(yàn)證Wa是否需要補(bǔ)償修正

在與國外某試驗(yàn)室進(jìn)行Wa比對(duì)試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)相差較大現(xiàn)象，按要求進(jìn)行了圓弧補(bǔ)償修正。步驟為：①在測量軟件SURFPAK-SV Version 1.500主界面中調(diào)出波紋曲線；②在菜單欄中選擇Edit/Data Processing Wizard…，彈出向?qū)?duì)話框；③在對(duì)話框中單擊Data Compensation Setup按鈕，彈出Set Data Compensation對(duì)話框；④在設(shè)置對(duì)話框的組合框中選擇R-Curve（Auto），在Applying Range Group Box框中選擇All單選鈕；⑤單擊Try按鈕，得到Radian值和Applying Error值；⑥單擊Ok按鈕，在主界面參數(shù)結(jié)果欄得到修正值。

表2上表面壓延方向位置1修正結(jié)果（單位：μm）為：（1）0.387；（2）0.389；（3）0.375；（4）0.403；（5）0.366；（6）0.401；（7）0.392；（8）0.395；（9）0.398；（10）0.407；（11）0.393；（12）0.405。有2個(gè)沒變化、10個(gè)減小，變化范圍：0～0.023 μm，小于測量列中因測量位置微小差異而引起的最大波動(dòng)值0.037 μm 。序號(hào)5修正前后最大變化差值的相對(duì)誤差：（0.023/0.389）×100%=5.91%。直角方向位置1修正結(jié)果（單位：μm）為：（1）0.314；（2）0.335；（3）0.312；（4）0.273；（5）0.311；（6）0.316；（7）0.313；（8）0.309；（9）0.306；（10）0.291；（11）0.327；（12）0.295。有5個(gè)沒變化、6個(gè)增加，1個(gè)減小，變化范圍：-0.003～0.002 μm，小于測量列的最大波動(dòng)值0.061 μm。序號(hào)5修正前后最大變化差值的相對(duì)誤差：（0.003/0.308）×100%=0.97%。二組修正值的最大變化差值為0.023 μm，處在設(shè)備允許的小數(shù)點(diǎn)后第2位誤差范圍內(nèi)。

2.3 汽車板Wa值分布介紹

表3介紹了比對(duì)試驗(yàn)采用的14個(gè)牌號(hào)汽車板Wa平均值分布情況。最后一行平均值顯示W(wǎng)a分散在0.236～0.604 μm范圍內(nèi)，滿足要求高的場合選擇Wa＜0.6 μm；要求寬一些的場合可選Wa＜1.0 μm的標(biāo)準(zhǔn)。

試樣本身平整時(shí)，測量一次通過，且相同面、相同軋向的數(shù)據(jù)比較一致。如試樣不平整，則需要移動(dòng)試樣調(diào)整測針起始位置，選擇平整的位置測量幾遍，尤其是壓延方向。如3號(hào)汽車板上、下表面壓延方向按測量Wa試樣位置圖測量Wa值偏大，向右移動(dòng)3 mm，Wa值明顯減小，檢查發(fā)現(xiàn)試樣邊部翹曲，原因除了有鋼板本身品質(zhì)外，還有可能是下樣問題。通過10號(hào)板的采集曲線彎曲變化證明Wa值雖不大，肉眼也看不出不平，但從曲線有規(guī)律變化看，可能是軋機(jī)震顫造成的品質(zhì)不高。測量11號(hào)板Wa時(shí)，如果找平線呈圓弧形，則Wa值大；呈直線或斜線，則Wa值不大，這些現(xiàn)象都是造成有觀點(diǎn)認(rèn)為Wa不好測量和應(yīng)用的緣由。7號(hào)板下表面圧延方向、11號(hào)板上表面壓延和直角方向的Wa值都需要注意。

3 不同設(shè)備測量Wa的比對(duì)分析

表4是采用2個(gè)品牌、5個(gè)型號(hào)Wa測量設(shè)備在相同參數(shù)設(shè)置條件下測量同一件試樣相同區(qū)域的Wa比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表，最后一列顯示W(wǎng)a之間最大差值是比較大的。下面運(yùn)用t檢驗(yàn)對(duì)比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性分析。

對(duì)表4第6和7列比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)：通過應(yīng)用軟件計(jì)算得t值為0.900，查t分布表得相應(yīng)的高臨界值為1.717，低臨界值2.510。由于t=0.900＜1.717；t=0.900＜2.510，所以確認(rèn)這兩臺(tái)設(shè)備檢測數(shù)據(jù)均值之間無顯著差異。

表4第6和8列數(shù)據(jù)的t檢驗(yàn)值0.378，小于高、低臨界值，一致性檢驗(yàn)結(jié)論為高度顯著。

表4第6和9列數(shù)據(jù)的t檢驗(yàn)值3.927，大于高、低臨界值，說明這兩臺(tái)設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差，一致性檢驗(yàn)結(jié)論為不顯著。原因是測量第9列數(shù)據(jù)采用的設(shè)備型號(hào)為MitutoyoFORMTRACERCS-5000L，所配測針的錐形尖端曲率半徑為5 μm，圓錐的坡形角度90°，與第6列采用的設(shè)備型號(hào)MitutoyoSurftest SV-3000 S4，所配測針尖端半徑2 μm，圓錐的坡形角度60°不同。尖端半徑和坡形角度小的測針適應(yīng)進(jìn)入表面起伏非常細(xì)微的波谷最深處，可以準(zhǔn)確地采集到實(shí)際輪廓狀態(tài)的斷面曲線，如表4第6和9列最后一行最大差值分別為0.115 μm和0.064 μm，反映有如下情況：2 μm的測針精度高，引起的測量數(shù)據(jù)變化大；5 μm的測針精度低，測量數(shù)據(jù)變化小。

表4第6和10列數(shù)據(jù)的t檢驗(yàn)值為4.832，大于高、低臨界值，一致性檢驗(yàn)為不顯著。原因是與測量第10列數(shù)據(jù)采用的型號(hào)為ACCRETECHSURFCOM 130A的設(shè)備測桿上采用導(dǎo)頭作相對(duì)測量基準(zhǔn)有關(guān)系，其錐形測頭到導(dǎo)頭的間隔直接影響獲得真實(shí)的斷面曲線信號(hào)，分析結(jié)果偏小。

4 不同測量條件設(shè)置對(duì)比分析

1.2節(jié)內(nèi)容是試驗(yàn)室A檢測Wa時(shí)設(shè)備的測量條件設(shè)置，與試驗(yàn)室B的設(shè)置有些不同，差別是：①試驗(yàn)室B的評(píng)價(jià)長度為25 mm（按取樣區(qū)間數(shù)為5計(jì)算，取樣長度5 mm）；②試驗(yàn)速度：0.6 mm/s。表5是在同一臺(tái)SV-3000 S4測量設(shè)備上，采用12輪，每輪循環(huán)更換4次試驗(yàn)室A和試驗(yàn)室B的不同測量條件設(shè)置，同時(shí)保持測針與試樣位置不變，對(duì)同一件試樣相同的12個(gè)位置進(jìn)行Wa檢測數(shù)據(jù)表。

表5按評(píng)價(jià)長度為40 mm和25 mm，試驗(yàn)速度為0.2 mm/s和0.5 mm/s組合成4種情況做對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)室B采用0.6 mm/s的速度是為了適應(yīng)鋼廠每天要測50件試樣的大批量出廠檢驗(yàn)要求。三豐的設(shè)備速度沒有0.6 mm/s這一檔，故選擇0.5 mm/s。從最下一行試驗(yàn)結(jié)果的平均值可見：第4與6列、第8與10列數(shù)據(jù)表明測量汽車板試樣的同一位置，在其他測量條件設(shè)置都相同，僅速度不同時(shí)，Wa測量值接近相等，說明試驗(yàn)速度對(duì)測量值的影響較小。

從最后一列平均值的最大差值看：當(dāng)評(píng)價(jià)長度不同時(shí)，上、下表面壓延方向Wa的差值是較大的。如上表面壓延方向Wa平均值的最大相對(duì)誤差為：［（0.399-0.356）/ 0.399］×100%=10.78%；直角方向的差值較小。表明在試驗(yàn)室A和試驗(yàn)室B的設(shè)備測量條件設(shè)置下所檢測出的數(shù)據(jù)相互之間還不具有直接可采用的價(jià)值，需要各自應(yīng)用自己的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。要達(dá)到雙方檢測數(shù)據(jù)通用的目的，需要通過采用統(tǒng)一的測量條件設(shè)置和試樣標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：不同位置Wa的不均勻分布特性，有助于理解比對(duì)試驗(yàn)中各方因測針落針點(diǎn)和走針路線不能完全重合所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相差較大現(xiàn)象，確認(rèn)檢測報(bào)告的質(zhì)量。

（2）試驗(yàn)室B只測量直角方向的Wa，而試驗(yàn)室A對(duì)直角和壓延方向的Wa對(duì)沖壓的影響都關(guān)心，因?yàn)殇摪灞砻嫘蚊渤尸F(xiàn)明顯的各向異性特征。要使檢測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相互認(rèn)可，除了統(tǒng)一設(shè)備測量條件設(shè)置外，還需要統(tǒng)一試樣形狀、尺寸和下樣方式。

參考文獻(xiàn)：

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