基于圖像處理下的強(qiáng)化研磨料磨損失效評(píng)價(jià)

劉曉初，覃哲，蕭金瑞，趙傳，陳宥丞

(廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006)

強(qiáng)化研磨是一種基于復(fù)合加工方法、用于提高工件表面疲勞抗力的表面處理工藝[1]，其操作簡(jiǎn)便,效果明顯,成本低,加工精度高，可使軸承外圈表層具有殘余壓應(yīng)力。強(qiáng)化研磨料的磨損程度決定強(qiáng)化研磨工藝下軸承外圈的加工效果[2-3]。

隨著加工行業(yè)的發(fā)展，關(guān)于研磨料磨損失效的研究日益增多。文獻(xiàn)[4-5]通過磨料磨損試驗(yàn)探討了不同重熔時(shí)間對(duì)材料耐磨性的影響，并應(yīng)用掃描電鏡觀察分析了涂層磨損表面形貌和磨損機(jī)理；文獻(xiàn)[6]用掃描電鏡觀察分析鋼丸磨損失效的形式，用質(zhì)量比表征磨損形式比例，并分析磨損失效過程；文獻(xiàn)[7]通過歐文壽命試驗(yàn)機(jī)對(duì)低鉻合金鑄鋼丸(S330)進(jìn)行歐文壽命試驗(yàn)，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡分析低鉻合金鑄鋼丸磨損失效形式。然而由于各種原因，電鏡下的表面微觀形貌圖存在圖片不夠清晰，圖像的判讀性和識(shí)別效果不佳，無法凸顯所需信息等問題。

現(xiàn)基于MATLAB平臺(tái)，將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)化研磨軸承外圈工藝中研磨料的微觀形貌圖片處理[8-9]，利用減影技術(shù)、圖像分割中的邊緣檢測(cè)和遺傳算法編寫相應(yīng)程序[10-12]，從而擴(kuò)大圖像中不同物體特征之間的差別并抑制影響分析的圖像特征，改善圖像質(zhì)量并豐富信息量，加強(qiáng)圖像判讀和識(shí)別，以期為評(píng)價(jià)強(qiáng)化研磨料是否磨損失效提供更精確的依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 強(qiáng)化研磨加工機(jī)理

試驗(yàn)用外圈為6207深溝球軸承外圈，材料為GCr15軸承鋼，其力學(xué)性能見表1。外圈強(qiáng)化研磨加工原理如圖1所示。圖中：α為高壓噴頭角度；η為氮?dú)鈬婎^角度；θ為左右支承間夾角；e為外圈與電磁吸盤的偏心距；ω為外圈轉(zhuǎn)速。強(qiáng)化研磨料與高壓氣體混合，經(jīng)高壓噴射系統(tǒng)作用形成氣、液、固三相混合噴射流，與固定在夾具上的外圈表面產(chǎn)生隨機(jī)等概率碰撞，使外圈表面形成有效的疲勞抗力。強(qiáng)化研磨料包括：直徑為4 mm的鋼丸，粒度為178 μm的棕剛玉粉末以及富氮濃縮液。外圈初始表面硬度為61.0～62.5 HRC，表面粗糙度Ra為0.35～0.40 μm。強(qiáng)化工藝：噴射壓力為0.6 MPa，噴射角度為45°，噴射距離為50 mm，工件轉(zhuǎn)速為100 r/min。利用一批足量的研磨料對(duì)10個(gè)同樣的套圈分別進(jìn)行25次循環(huán)(1次循環(huán)的時(shí)間為6 s)的強(qiáng)化研磨加工，整個(gè)試驗(yàn)過程研磨料使用了250次循環(huán)。

表1 GCr15軸承套圈材料力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of bearing ring made of GCr15

圖1 外圈強(qiáng)化研磨加工原理Fig.1 Principle of strengthening and polishing process for outer ring

1.2 試樣的制備及檢測(cè)

采用測(cè)量精度為0.5 μm的扭簧表和D913軸承直徑測(cè)量?jī)x對(duì)加工前后10個(gè)軸承套圈的外徑進(jìn)行測(cè)量，求出每個(gè)套圈平均直徑的去除量。分別取出經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)(125次、225次)的鋼丸和棕剛玉粉末，采用濃度為99.5%的丙酮溶液清洗劑浸泡6 h后烘干，目的是將樣品表面的污跡和雜質(zhì)清洗干凈。最后用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)處理過的鋼丸和棕剛玉粉末進(jìn)行表面微觀形貌觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 套圈平均直徑去除量的變化分析

套圈平均直徑去除量d隨研磨料循環(huán)次數(shù)r的變化如圖2所示。由圖可知，研磨料經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)越多，對(duì)套圈平均直徑的去除量越小。經(jīng)歷0次、125次、225次循環(huán)的研磨料對(duì)套圈直徑去除量分別為5.73，2.25，0.15 μm，由此可見，與未經(jīng)歷循環(huán)的研磨料相比，經(jīng)歷125次循環(huán)的研磨料切削能力下降了60%，而經(jīng)歷225次循環(huán)的研磨料切削能力下降了97%。

圖2 套圈平均直徑去除量隨研磨料循環(huán)次數(shù)的變化Fig.2 Variation of removal amount for average diameter of ring with cycle times of abrasive

下文將基于圖像處理技術(shù)，詳細(xì)分析經(jīng)歷125次、225次循環(huán)后研磨料的微觀形貌，從而更準(zhǔn)確地分析研磨料切削能力下降的原因以及評(píng)估研磨料的磨損。

2.2 鋼丸表面微觀形貌分析

圖像處理前強(qiáng)化研磨加工循環(huán)125，225次后鋼丸表面的SEM圖如圖3所示。

未加工的鋼丸表面在200倍掃描電鏡下呈灰色，而強(qiáng)化研磨加工后，掃描電鏡下鋼丸表面的放大圖在灰色背景下增添許多暗黑或黑色的區(qū)域，其隨著強(qiáng)化研磨加工循環(huán)次數(shù)的增加而不斷擴(kuò)大。為更精確地分析強(qiáng)化研磨加工過程中鋼丸表面的磨損情況以及磨損分布，不僅要排除未磨損時(shí)鋼丸的灰色背景，更重要的是檢測(cè)出所增添黑色區(qū)域的邊緣，從而鑒定鋼丸的磨損程度。結(jié)合數(shù)字圖像處理中的減影技術(shù)將圖3中的背景顏色(灰色)消除。假設(shè)未加工的鋼丸表面微觀圖像為函數(shù)A(x,y)，加工循環(huán)n次的鋼丸表面微觀形貌圖為A(x+Δx,y+Δy)，設(shè)差圖像為C(x,y)，則

圖3 不同循環(huán)次數(shù)的鋼丸處理前SEM圖(×200)Fig.3 SEM images of steel shots with different cycle times before processing(×200)

C(x,y)=A(x+Δx,y+Δy)-A(x,y)。

(1)

編寫MATLAB程序可去除圖3的背景得到差圖像，如圖4所示。

圖4 不同循環(huán)次數(shù)的鋼丸處理后SEM圖(×200)Fig.4 SEM images of steel shots with different cycle times after processing(×200)

由圖4可知，鋼丸表面的磨損情況清晰可見。對(duì)比圖4a和圖4b可知，隨著循環(huán)研磨次數(shù)增加，表面形貌從平整到出現(xiàn)缺陷，從光滑致密到散布細(xì)小的凹坑再到大凹坑。循環(huán)125次時(shí)，鋼丸表面僅散布微小刮痕，較小的淺黑斑也表明磨損區(qū)域凹坑較淺(圖4a)；循環(huán)225次后，鋼丸表面出現(xiàn)了大凹坑松散表層和密集交錯(cuò)的刮痕以及微細(xì)孔，整個(gè)表面形貌已完全發(fā)生改變，原始的平整光滑表層已被磨損(圖4b)。隨著強(qiáng)化研磨循環(huán)次數(shù)的增加，鋼丸表面出現(xiàn)許多凹坑與刮痕的原因是：高壓系統(tǒng)作用下的鋼丸反復(fù)與軸承溝道發(fā)生激烈碰撞，同時(shí)研磨料中存在棱角鋒銳的研磨粉，其在研磨過程中也會(huì)對(duì)鋼丸形成高速切削。

2.3 棕剛玉研磨粉表面微觀形貌分析

研磨前的研磨粉微觀形貌如圖5所示。由圖可知，初始狀態(tài)的棕剛玉研磨粉顆粒較大，棱角鋒銳，切削能力較強(qiáng)，其表面無松散的層狀結(jié)構(gòu)和細(xì)微粉末。

圖5 研磨前研磨粉SEM圖(×200)Fig.5 SEM image of abrasive powder before grinding(×200)

圖像處理前經(jīng)過125，225次循環(huán)后棕剛玉研磨粉的SEM圖如圖6所示。由圖可知，研磨粉已發(fā)生輾碎式磨損，但圖片較暗，所呈現(xiàn)的棕剛玉研磨粉顆粒較模糊。

圖6 不同循環(huán)次數(shù)的研磨粉處理前SEM圖(×200)Fig.6 SEM images of abrasive powder with different cycle times before processing(×200)

采用Laplace算子法處理循環(huán)不同次數(shù)后的棕剛玉研磨粉的微觀形貌圖像。

Laplace算子法是常用的邊緣增強(qiáng)處理算子，其為各向同性的二階導(dǎo)數(shù)。一個(gè)連續(xù)的二元函數(shù)f(x,y)在位置(x,y)處的Laplace運(yùn)算定義為[10,12]

(2)

(3)

對(duì)數(shù)字圖像，參照(3)式可寫出圖像f(i,j)的一階偏導(dǎo)為

(4)

二階偏導(dǎo)為

(5)

根據(jù)(2)式可得輸出圖像g(i,j)為

(6)

(6)式可用Laplace算子模板表示為

(7)

H1等效于用Laplace算子增強(qiáng)圖像的邊緣和線條。利用Laplace算子法處理之后，循環(huán)125，225次后棕剛玉研磨粉的微觀形貌如圖7所示。

由圖7a可知，棕剛玉研磨粉經(jīng)125次加工循環(huán)后，由許多新的細(xì)小輪廓可見，研磨粉已發(fā)生明顯的輾碎式磨損，僅有少量較大的研磨粉顆粒。

圖7 經(jīng)Laplace算子處理后不同循環(huán)次數(shù)的研磨粉SEM圖(×200)Fig.7 SEM images of abrasive powder with different cycle times after Laplace operator treatment(×200)

這表明該狀態(tài)下的研磨粉已喪失原始的鋒銳棱角，對(duì)外圈表面的切削能力也將大大減弱，僅滿足在外圈表面進(jìn)行的細(xì)微切削要求。由圖7b可知，經(jīng)225次循環(huán)后，研磨粉被進(jìn)一步磨損細(xì)化，圖7a中少量的較大顆粒已消失，出現(xiàn)更細(xì)小且輪廓不清晰的微小顆粒。此時(shí)，研磨粉對(duì)軸承表面的切削作用極其微弱。從輪廓形貌上看，此時(shí)的研磨粉形貌粉碎而松散，故可推斷循環(huán)225次的研磨粉發(fā)生了磨損失效。

3 結(jié)束語

將減影技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)化研磨工藝中鋼丸表面的微觀形貌分析，清晰地呈現(xiàn)了經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)加工后鋼丸表面產(chǎn)生的磨損情況；利用邊緣增強(qiáng)處理技術(shù)處理棕剛玉研磨粉的表面微觀形貌，提高了強(qiáng)化研磨過程中研磨粉顆粒輪廓的判讀和識(shí)別。經(jīng)過225次的循環(huán)加工后，研磨料發(fā)生了極大磨損且無法繼續(xù)在外圈的強(qiáng)化研磨工藝中使用。文中圖像處理技術(shù)對(duì)強(qiáng)化研磨工藝中研磨料的合理使用具有重要的參考意義。