基于線結(jié)構(gòu)光的滾動(dòng)接觸表面粗糙度在線測(cè)量方法

秦志鵬，呂 慶，閆樂(lè)天，楊長(zhǎng)輝

(重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

0 引言

滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)是一種模擬軸承、齒輪、軋輥、輪箍等滾動(dòng)接觸零件工況的失效驗(yàn)證試驗(yàn)，是獲得機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要手段[1-2]。目前基于二維機(jī)器視覺(jué)的滾動(dòng)接觸疲勞檢測(cè)方法[3-4]，通過(guò)量化試件表面損傷面積評(píng)估金屬表面宏觀疲勞磨損狀態(tài)，但不能獲得試件表面三維微觀形貌變化。粗糙度作為表面微觀形貌的主要表示形式[5]，對(duì)機(jī)械零件的耐磨性、配合性質(zhì)穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性、密封性和表面光學(xué)性能等有著重要的影響[6]。因此，在二維檢測(cè)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)試件表面三維微觀形貌測(cè)量方法，在線獲取滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)過(guò)程中的表面粗糙度，對(duì)金屬材料表面疲勞演變過(guò)程研究和疲勞失效預(yù)測(cè)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

根據(jù)被測(cè)表面是否與測(cè)量傳感器接觸，表面微觀形貌測(cè)量方法分為接觸測(cè)量法和非接觸測(cè)量法[7]。接觸測(cè)量法中，觸針式輪廓儀應(yīng)用較為成熟，通過(guò)探針直接接觸被測(cè)表面，劃過(guò)表面的同時(shí)記錄表面形貌信息，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍較大，精度高[8]，缺點(diǎn)是易劃傷接觸面，測(cè)量效率低，只能用于靜態(tài)表面的離線測(cè)量。隨著對(duì)金屬材料的研究不斷深入，在線測(cè)量需求逐漸增加，基于非接觸測(cè)量方法是當(dāng)前研究方向和發(fā)展趨勢(shì)，非接觸法的特點(diǎn)是能對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，避免損傷待測(cè)表面引起測(cè)量誤差，同時(shí)也能滿(mǎn)足在線測(cè)量的需要，大幅度提高測(cè)量效率，常見(jiàn)的非接觸測(cè)量法有光切法[9]、干涉法[10]、散斑法[11]、線結(jié)構(gòu)光法等[12]。滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)中，被測(cè)試件處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，在表面數(shù)據(jù)采集過(guò)程中需要減小機(jī)械振動(dòng)和軸向跳動(dòng)的影響，表面粗糙度隨著試驗(yàn)進(jìn)行而不斷變化，因此測(cè)量方法既要滿(mǎn)足測(cè)量速度和精度要求，也要具備一定的抗干擾能力。在上述測(cè)量方法中，基于線結(jié)構(gòu)光的測(cè)量法具有采集數(shù)據(jù)速度快，測(cè)量精度高的特點(diǎn)，也能有效避免軸向跳動(dòng)對(duì)表面輪廓采集影響，滿(mǎn)足滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)過(guò)程中試件表面的粗糙度測(cè)量條件。

目前，對(duì)線結(jié)構(gòu)光的微觀形貌測(cè)量研究取得了較大進(jìn)展，王樂(lè)等[13]將線結(jié)構(gòu)光鋼軌輪廓測(cè)量系統(tǒng)分解為圖像采集模塊、系統(tǒng)標(biāo)定模塊和輪廓測(cè)量模塊，在Zemax非序列模式下依次對(duì)3個(gè)模塊進(jìn)行建模，得到鋼軌輪廓測(cè)量系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌輪廓測(cè)量過(guò)程的準(zhǔn)確模擬。Z. Shang等[14]提出了一種利用非相干線結(jié)構(gòu)光進(jìn)行高精度輪廓測(cè)量的方法，并研制了相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)得漸開(kāi)線主齒的齒形誤差為±2.2 μm。劉潔等[15]提出一種基于線結(jié)構(gòu)激光傳感器的土壤表面粗糙度測(cè)量方法，利用半導(dǎo)體紅光激光器、CCD 工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)及支架等構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng)，采集土壤樣本的表面圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤顆粒粗糙度的檢測(cè)。

以上研究驗(yàn)證了線結(jié)構(gòu)光法在表面微觀形貌測(cè)量的可行性，但針對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)應(yīng)用較少。基于上述分析，本文提出一種基于線結(jié)構(gòu)光的表面粗糙度測(cè)量方法，在滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)中采集試件表面形貌信息，在線分析試驗(yàn)中試件表面粗糙度變化，提升滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)微觀形貌量化和分析的能力。

1 滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用線結(jié)構(gòu)光傳感器獲取被測(cè)表面形貌數(shù)據(jù)，其原理如圖1所示，激光源Op發(fā)射一條線激光垂直投射到待測(cè)表面形成一條激光亮線AB，AB經(jīng)過(guò)漫反射被受光透鏡L接收，并在CMOS上成像。設(shè)O點(diǎn)對(duì)應(yīng)成像為Oq，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算出輪廓AB上P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)P′坐標(biāo)，同理可獲得輪廓AB上各采集點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。當(dāng)被測(cè)表面沿X軸向移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)連續(xù)記錄每次線激光反射回來(lái)的形貌信息，若干輪廓線構(gòu)成試件表面三維點(diǎn)云。

圖1 線結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理

基于上述原理，構(gòu)建了如圖2所示的滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)中，疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)由伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、試件等組成，試件分為主試件和陪試件，主試件作為被測(cè)對(duì)象，陪試件在試驗(yàn)過(guò)程中與主試件滾動(dòng)接觸，并通過(guò)加載系統(tǒng)向主試件施加接觸應(yīng)力；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由線結(jié)構(gòu)光輪廓傳感器部件組成，試驗(yàn)中系統(tǒng)周期性采集滾子主試件表面點(diǎn)云，并通過(guò)軟件系統(tǒng)對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行在線處理，獲得不同循環(huán)次數(shù)下試件表面粗糙度。

圖2 滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)搭建與點(diǎn)云預(yù)處理

由于在滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)中，被測(cè)試件處于滾動(dòng)狀態(tài)，線結(jié)構(gòu)光傳感器要有較高的采集速率與精度，本文中選用線結(jié)構(gòu)光傳感器型號(hào)為基恩士LJ-X8060，在課題組自主研制的滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)CQHH-RCF-A進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)YB/T 5345—2014《金屬材料滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)方法》[16]，主試件的接觸面的加工寬度設(shè)定為5 mm。如圖3所示，搭建滾動(dòng)接觸疲勞實(shí)驗(yàn)表面粗糙度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

(a)滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)臺(tái)

(b)試驗(yàn)樣件圖3 試件及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

主試件表面點(diǎn)云如圖4所示，由x、y、z三坐標(biāo)離散點(diǎn)構(gòu)成，其中x軸為輪廓取樣方向，輪廓點(diǎn)固定間隔為5 μm；z軸是輪廓高度方向，代表輪廓在傳感器視場(chǎng)內(nèi)的高度值；y軸為線速度方向，間隔Δy計(jì)算方法如式(1)：

圖4 試件表面點(diǎn)云

(1)

式中：fs為傳感器采樣頻率；vy為試件線速度。

試驗(yàn)過(guò)程中傳感器采集輪廓數(shù)據(jù)時(shí)，由于環(huán)境帶來(lái)的平臺(tái)振動(dòng)、光路遮擋和其他外界因素影響，獲取的試件表面點(diǎn)云包含一部分噪點(diǎn)，這些噪點(diǎn)的特點(diǎn)是明顯偏離原始點(diǎn)云較大距離，稱(chēng)為離群點(diǎn)，會(huì)影響后續(xù)的粗糙度評(píng)定，因此首先要對(duì)原始點(diǎn)云中的離群點(diǎn)進(jìn)行剔除。

本文基于統(tǒng)計(jì)濾波方法，統(tǒng)計(jì)輪廓點(diǎn)云上每個(gè)點(diǎn)與鄰域內(nèi)點(diǎn)的平均距離，根據(jù)分布特點(diǎn)來(lái)剔除離群點(diǎn)。試件表面點(diǎn)云分布近似服從高斯分布，高斯分布由均值和標(biāo)準(zhǔn)差確定，概率密度函數(shù)為

(2)

式中：di為每個(gè)點(diǎn)與其鄰域內(nèi)點(diǎn)平均距離；μ為平均距離均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

設(shè)定每個(gè)鄰域內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量k，利用kd-tree最近鄰搜索算法歷遍表面點(diǎn)云中的所有輪廓點(diǎn)，其中每個(gè)點(diǎn)Pi(i=1,2,…,n)都對(duì)應(yīng)鄰域Qi(i=1,2,…,n)，計(jì)算所有Pi與對(duì)應(yīng)Qi之間的距離di，統(tǒng)計(jì)得到均值μ與標(biāo)準(zhǔn)差σ，定義離群點(diǎn)的判定閾值D為

D=μ+?σ

(3)

式中?為比例系數(shù)。

離群點(diǎn)剔除閾值與選擇近鄰點(diǎn)的個(gè)數(shù)k和比例系數(shù)?相關(guān)，經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)k=30，?=1.5時(shí)，離群點(diǎn)的剔除效果最佳，結(jié)果如圖5所示。

圖5 表面點(diǎn)云離群點(diǎn)剔除

2 表面粗糙度計(jì)算方法

2.1 表面粗糙度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 3505—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu) 輪廓法術(shù)語(yǔ)、定義及表面結(jié)構(gòu)參數(shù)》[17]規(guī)定，采用輪廓法確定表面結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)、定義和參數(shù)，關(guān)于表面粗糙度的內(nèi)容主要分為：輪廓構(gòu)成、取樣規(guī)則和評(píng)定方法。在實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景中，金屬零部件材料的表面結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，如圖6所示，表面輪廓由粗糙度輪廓、波紋度輪廓、形狀誤差復(fù)合而成，三者波距不同。從輪廓波形信號(hào)分析，粗糙度輪廓屬于高頻信號(hào)，波紋度輪廓和形狀誤差屬于低頻信號(hào)，因此可根據(jù)頻率特征分離出目標(biāo)輪廓成分。

圖6 金屬材料表面輪廓構(gòu)成

用來(lái)表述表面粗糙度的數(shù)值的符號(hào)有Ra(輪廓算術(shù)平均偏差)、Ry(輪廓最大高度)和Rz(微觀不平度)3種，其中Ra應(yīng)用最為廣泛，本文采用Ra作為評(píng)定表面粗糙度的符號(hào)。

輪廓的取樣方向通常垂直于材料加工方向，選擇一定長(zhǎng)度的輪廓作為評(píng)定表面粗糙度的原始輪廓。為了規(guī)范不同表面輪廓特征參數(shù)，在GB/T 10610—2009 《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS) 表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 評(píng)定表面結(jié)構(gòu)的規(guī)則和方法》[18]中規(guī)定了輪廓的取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度，在測(cè)量表面粗糙度時(shí)，取樣長(zhǎng)度lr的作用是限制輪廓波紋度對(duì)粗糙度評(píng)定的影響，為保證粗糙度評(píng)定結(jié)果的可靠性，通常取連續(xù)5段取樣長(zhǎng)度作為粗糙度評(píng)定長(zhǎng)度ln,計(jì)算每個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)粗糙度Rai的平均值作為最終結(jié)果，Ra計(jì)算公式為

(4)

被測(cè)表面粗糙度范圍不同，對(duì)應(yīng)的取樣長(zhǎng)度lr也有所不同，標(biāo)準(zhǔn)中推薦的取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度如表1所示。

表1 Ra取值范圍和對(duì)應(yīng)取樣長(zhǎng)度 mm

2.2 粗糙度輪廓獲取方法

由于原始輪廓是由不同成分輪廓復(fù)合而成，要提取粗糙度輪廓，首先需要獲取具有幾何輪廓形狀并劃分輪廓的基準(zhǔn)，即原始輪廓低頻成分對(duì)應(yīng)的輪廓中線。通常采用濾波法獲取輪廓中線，本文參照GB/T 18777—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 相位修正濾波器的計(jì)量特性》[19]，通過(guò)高斯濾波器在原始輪廓上加權(quán)平均計(jì)算，抑制輪廓中的高頻成分，獲取低頻輪廓基準(zhǔn)，即高斯濾波中線。高斯濾波器的加權(quán)函數(shù)定義為

(5)

式中：λ為輪廓波長(zhǎng)，mm；λc為高斯濾波器截止波長(zhǎng)，mm；a為常數(shù)。

傅里葉變換公式為

(6)

高斯濾波器在截止波長(zhǎng)處的通過(guò)率為50%，即λ=λc，H(λ)=0.5帶入式(6)得a=0.467 9。試件表面采集的原始輪廓數(shù)據(jù)z(x)，z(x)由高頻粗糙度r(x)和低頻波紋度、形狀誤差w(x)組成。原始輪廓z(x)與高斯濾波器權(quán)函數(shù)h(λ)一次卷積,得出原始輪廓高斯濾波中線w(x),計(jì)算過(guò)程為

(7)

將原始輪廓z(x)與高斯濾波中線w(x)作差，進(jìn)一步得出表面粗糙度輪廓r(x)：

r(x)=z(x)-w(x)

(8)

Ra值由粗糙度輪廓r(x)計(jì)算獲得,定義為在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)，粗糙度輪廓r(x)上每個(gè)點(diǎn)縱坐標(biāo)yi絕對(duì)值的平均值：

(9)

2.3 端部效應(yīng)及修正方法

由于被測(cè)表面原始輪廓z(x)取樣長(zhǎng)度是有限的，而高斯濾波法給定權(quán)函數(shù)的定義區(qū)間[-l1,l2]往往小于原始輪廓的評(píng)定長(zhǎng)度ln，被測(cè)表面輪廓測(cè)量長(zhǎng)度區(qū)間內(nèi)基于卷積算法的高斯濾波中線w(x)計(jì)算如下：

(10)

式中：w(x)為高斯濾波中線；z(x)為待測(cè)表面原始輪廓；ln為評(píng)定長(zhǎng)度。

由式(10)可知，計(jì)算的高斯濾波中線w(x)的定義區(qū)間為[l2,ln-l1]，因此高斯權(quán)函數(shù)在對(duì)原始輪廓加權(quán)平均時(shí)候僅對(duì)輪廓中間部分有效，部分權(quán)函數(shù)處在輪廓之外，導(dǎo)致高斯函數(shù)總權(quán)重減少，加權(quán)計(jì)算后會(huì)出現(xiàn)輪廓邊界失真的情況，稱(chēng)為端部效應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)高斯濾波器權(quán)函數(shù)中l(wèi)2=l1=λc/2，因此在輪廓左右兩端半個(gè)截止波長(zhǎng)范圍內(nèi)，獲取的高斯濾波中線會(huì)失真，使得提取的粗糙度輪廓誤差較大。因此，需要將高斯濾波中線兩端的部分?jǐn)?shù)據(jù)舍棄再進(jìn)行粗糙度計(jì)算，而在實(shí)際應(yīng)用中，采集的輪廓數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限，如果直接舍去，得到濾波中線的有效長(zhǎng)度太小，評(píng)定長(zhǎng)度減小會(huì)直接影響粗糙度計(jì)算值的可靠性。

為了修正端部效應(yīng)，采用輪廓外延的方法增加原始輪廓左右端長(zhǎng)度，使得權(quán)函數(shù)能夠應(yīng)用到完整輪廓的加權(quán)計(jì)算。常見(jiàn)外延方法分為3種：補(bǔ)零法、對(duì)稱(chēng)延展法和線性外插法。補(bǔ)零法是在原始輪廓兩端外λc/2區(qū)域填充零，外延區(qū)域輪廓高度為0；對(duì)稱(chēng)延展法是將輪廓兩端λc/2長(zhǎng)度區(qū)域分別基于點(diǎn)或者直線對(duì)稱(chēng)延展，將鏡像輪廓作為外延區(qū)域；線性外插法是分別將輪廓兩端λc/2長(zhǎng)度區(qū)域線性擬合，根據(jù)擬合結(jié)果再拓展輪廓。由于加工精度或材料本身的原因，采集到的試件原始輪廓整體是傾斜的，補(bǔ)零法和對(duì)稱(chēng)延展法拓展的區(qū)間均不符合原始輪廓的傾斜趨勢(shì)，因此本文采用線性外插法，對(duì)輪廓兩邊端部效應(yīng)區(qū)域進(jìn)行修正，獲取完整的輪廓濾波中線，實(shí)現(xiàn)方法如下：

(11)

然后根據(jù)擬合結(jié)果在原始輪廓上進(jìn)行線性拓展：

(12)

如圖7所示，線性外插法有效修正了傳統(tǒng)高斯濾波器端部效應(yīng)，此方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且適用于處理傾斜輪廓的端部效應(yīng)。

(a)傳統(tǒng)高斯濾波器

(b)修正后的高斯濾波器圖7 高斯濾波中線獲取

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案設(shè)立2組滾子試件，一組為標(biāo)準(zhǔn)試件，接觸面粗糙度Ra分別按照0.8、1.2、1.6 μm加工，測(cè)量其表面粗糙度與高精度探針式輪廓儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證測(cè)量精度。另外一組試件接觸面不做處理，在滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)中實(shí)時(shí)記錄其表面粗糙度變化并分析。

首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)量，以加工Ra值為0.8 μm的滾子試件為例，測(cè)量前先通過(guò)探針式輪廓儀測(cè)量粗糙度值，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量得出Ra平均值為0.82 μm。然后通過(guò)本文方法采集標(biāo)準(zhǔn)件完整表面點(diǎn)云，進(jìn)行預(yù)處理，點(diǎn)云中包含的若干條輪廓均按以下流程處理：

步驟1：在電機(jī)轉(zhuǎn)速10 r/min，傳感器采集頻率500 Hz時(shí),采集標(biāo)準(zhǔn)件完整表面點(diǎn)云，包含3 000條輪廓。

步驟2：剔除離群點(diǎn)，獲取評(píng)定表面粗糙度Ra的原始輪廓。

步驟3：采用線性外插法獲取修正的高斯濾波中線，結(jié)果如圖8所示。

圖8 高斯濾波中線提取

步驟4：將原始輪廓與高斯濾波中線高度值相減即得出粗糙度輪廓，如圖9所示。

圖9 表面粗糙度輪廓

步驟5：根據(jù)式(9)求出該標(biāo)準(zhǔn)件的平均Ra值為0.72 μm，采集標(biāo)準(zhǔn)滾子試件表面一周3 000條輪廓，求出Ra平均值為0.78。將其余標(biāo)準(zhǔn)件滾子按照以上流程處理，結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)件滾子表面粗糙度測(cè)量結(jié)果對(duì)照

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件滾子驗(yàn)證測(cè)量精度后，將試驗(yàn)樣件安裝在滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)工況配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

本次試驗(yàn)試件材料主試件、陪試件材料為40Cr，試驗(yàn)載荷2 000 N，主試電機(jī)轉(zhuǎn)速500 r/min，主試電機(jī)與陪試電機(jī)滑差率為10%，每2 000 r采集一次主試件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前表面粗糙度Ra，并繪制粗糙度變化圖，結(jié)果如圖10所示，試驗(yàn)過(guò)程中主試件表面點(diǎn)云高度圖如圖11所示。

圖10 主試件粗糙度變化

(a)主試件初始表面點(diǎn)云

(b)16 000次循環(huán)表面點(diǎn)云

(c)40 000次循環(huán)表面點(diǎn)云

(d)100 000次循環(huán)表面點(diǎn)云

(e)180 000次循環(huán)表面點(diǎn)云

(f)200 000次循環(huán)表面點(diǎn)云圖11 試驗(yàn)過(guò)程中試件三維形貌高度圖

在滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)中，主試件與陪試件兩接觸面滾動(dòng)和滑動(dòng)同時(shí)發(fā)生，磨損方式為表面疲勞磨損，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以將滾子表面疲勞演變分為3個(gè)狀態(tài)：

(1)跑合階段：循環(huán)次數(shù)20 000 r以?xún)?nèi)，初始摩擦副兩接觸表面具有較大的形狀誤差，接觸位置峰點(diǎn)壓力較大，使得接觸力度大，因此在該階段的磨損程度較深，速度較快，產(chǎn)生較大磨屑，Ra快速增大。摩擦副在磨合過(guò)程中接觸表面形態(tài)逐漸改善，隨著接觸面積逐漸增加，磨損程度降低，Ra減小，磨損程度相應(yīng)減小。

(2)穩(wěn)定磨損階段：循環(huán)次數(shù)在20 000～160 000 r內(nèi)，Ra在1.3 μm左右波動(dòng)，通過(guò)跑合階段磨損，試件表面加工硬化，凸起變少，粗糙度降低，兩試件接觸面積增加，試件表面形貌在此期間變化較小，但有一定的塑性形變，磨屑大小均勻呈微粒狀。進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。該階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，材料的穩(wěn)定性越好。

(3)劇烈磨損階段：循環(huán)次數(shù)160 000 r以后，Ra急劇上升，試件表面觀察到點(diǎn)蝕剝落現(xiàn)象，出現(xiàn)片狀磨屑，從圖11(e)可知，在長(zhǎng)期循環(huán)應(yīng)力作用下，試件表面塑性形變，進(jìn)入劇烈磨損階段。試件已經(jīng)處于疲勞壽命極限，最終完全疲勞失效，同時(shí)表面疲勞演變表現(xiàn)形式由微觀粗糙度變化轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^表面剝落面積的改變。

4 結(jié)論

本文提出基于線結(jié)構(gòu)光的滾動(dòng)接觸表面粗糙度測(cè)量方法能夠在線測(cè)量金屬表面粗糙度信息，彌補(bǔ)了滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)的不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)件表面粗糙度測(cè)量結(jié)果與高精度探針式輪廓儀測(cè)量值相對(duì)誤差小于7%，絕對(duì)誤差小于0.1 μm，滿(mǎn)足滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)表面粗糙度測(cè)量要求。通過(guò)在線記錄試件表面粗糙度變化過(guò)程，對(duì)研究金屬摩擦疲勞表面演變過(guò)程和失效預(yù)測(cè)提供了新的試驗(yàn)參考和數(shù)據(jù)支撐。