活塞波浪形內(nèi)冷油道位置的工業(yè)CT測量

徐鳳麗，倪培君，齊子誠，張維國，付 康

(中國兵器科學(xué)研究院 寧波分院，寧波 315103)

伴隨著柴油機向高強化、緊湊化、輕量化方向發(fā)展，柴油機熱負荷問題日趨嚴峻，其內(nèi)部活塞承受周期性熱負荷和機械負荷沖擊，工作環(huán)境也更加苛刻[1-4]。內(nèi)冷油道是活塞內(nèi)部起冷卻作用的重要結(jié)構(gòu)，其通過機油流動帶走熱量對活塞頭部區(qū)域進行強制冷卻，能有效降低燃燒室周邊及活塞環(huán)槽等重要部位的溫度和熱變形量。內(nèi)冷油道的形狀和位置對活塞各個部位的工作溫度有重要影響，波浪形的內(nèi)冷油道與傳統(tǒng)圓環(huán)狀內(nèi)冷油道相比，機油與活塞的接觸面積更大，能更快速有效地冷卻活塞頭部區(qū)域[5-6]。

目前，活塞的制造工藝主要有擠壓鑄造、金屬模鑄造、鍛造和液壓模鍛等，其內(nèi)冷油道的成型方法主要有壓配法、直接鑄入法、電子束焊接法、水溶鹽芯法等。活塞的鑄造工藝、冷卻油道的成型工藝及設(shè)備性能的波動，均會造成內(nèi)冷油道位置產(chǎn)生相對移動，當內(nèi)冷油道在活塞內(nèi)部位置與設(shè)計要求偏差較大時，則會影響活塞冷卻效果，導(dǎo)致活塞頭部強度下降，甚至引發(fā)安全事故。因此對活塞內(nèi)冷油道進行形狀和位置檢測十分重要，直接關(guān)系到柴油機的性能和使用壽命[7-12]。

內(nèi)冷油道處于活塞內(nèi)部，用三坐標儀無法直接測量，目前主要采用無損檢測方法對內(nèi)冷油道位置進行檢測，針對傳統(tǒng)圓環(huán)形狀內(nèi)冷油道位置測量的無損檢測方法主要有工業(yè)CT檢測和超聲波檢測[13-14]。工業(yè)CT檢測方法是對活塞進行DR(數(shù)字射線成像)和CT(計算機層析成像)掃描，獲得DR和CT圖像，需要采集2幅DR圖像(0°及90°)才能實現(xiàn)油道軸向偏差測量。該方法是在DR圖像上觀測油道整體頂部位置，通過油道頂部最高與最低位置相減獲得活塞油道軸向偏差，在CT圖像上測量油道與活塞外圓的圓心偏差獲得徑向偏差[15]。超聲波檢測方法采用水浸法從活塞頂部垂直入射超聲波獲得油道在活塞內(nèi)部位置，測量內(nèi)冷油道頂部與活塞頂?shù)拈g距獲得活塞油道軸向偏差，利用超聲波檢測形成油道C掃描圖像，在圖像上測量徑向偏差[16]。當內(nèi)冷油道為波浪形時，DR圖像上重影較為嚴重，測量誤差較大；內(nèi)冷油道頂部部分區(qū)域與超聲波入射方向非垂直，超聲波無法返回，超聲波檢測也無法開展。

文章針對活塞波浪形內(nèi)冷油道的結(jié)構(gòu)特點和檢測需求，研究了一種活塞波浪形內(nèi)冷油道位置偏差的工業(yè)CT測量方法，與其他檢測方法相比，該方法檢測成本及效率最優(yōu)。

1 測量方法

工業(yè)CT技術(shù)是20世紀80年代發(fā)展起來的一項先進無損檢測技術(shù)，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、直觀地展示被檢測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、材料及缺損狀況，具有非接觸、非破壞、無影像重疊、分辨率高等特點。其基本原理是依據(jù)射線在被檢測工件中的減弱和吸收特性，通過探測器采集穿過工件的射線信號，獲得工件內(nèi)部的詳細信息，最后通過計算機信息處理和圖像重建技術(shù)，以圖像形式顯示出來。工業(yè)CT技術(shù)有面陣掃描和線陣掃描，面陣掃描是一次掃描形成活塞內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，優(yōu)點在于數(shù)據(jù)全面，但是單次掃描時間長(30 min左右)，每次僅可掃描一件活塞，檢測成本較高；線陣掃描是一次掃描活塞內(nèi)部一定厚度(小于1 mm)的切片，優(yōu)點在于掃描速度快，當采用高能加速器作射線源時，可一次掃描多件活塞，掃描時間較短(15 min左右)[17-20]。筆者采用DR和CT線陣掃描技術(shù)，通過合理設(shè)置掃描位置，采用最少的CT切片實現(xiàn)活塞波浪形內(nèi)冷油道的軸向、徑向偏差測量，具體步驟如下。

(1) 采用X射線線陣探測器工業(yè)CT系統(tǒng)掃描具有波浪形內(nèi)冷油道的活塞，獲得活塞的DR圖像，在DR圖像上搜索波浪形內(nèi)冷油道位置，設(shè)內(nèi)冷油道高度為h，在h/2、h/m、h/n(n>m>2，n,m為不同切片位置)處進行CT掃描獲得斷層圖像，掃描切片位置如圖1所示。

圖1 波浪形油道CT掃描切片位置示意

(2) 內(nèi)冷油道徑向偏差是指活塞俯視圖中內(nèi)冷油道圓心與活塞中心的偏差距離，有無徑向偏差示意如圖2所示。

圖2 內(nèi)冷油道有無徑向偏差示意

對h/2處CT斷層圖像進行自動閾值分割形成二值化圖像(如最大類間方差法)，提取二值化圖像中活塞的邊緣，得到活塞外輪廓線、油道外輪廓線和內(nèi)輪廓線。針對活塞外輪廓線，采用圓形擬合法(如最小二乘法)計算出活塞外輪廓圓心Op，計算油道外輪廓線和內(nèi)輪廓線的中軸線，對該中軸線采用橢圓擬合法計算出油道圓心Ov，當活塞內(nèi)部存在左、右油道時，對左、右油道中軸線分別采用橢圓擬合法計算各自的油道圓心。當活塞內(nèi)部僅有一條油道時，計算活塞外輪廓圓心與油道圓心的距離OpOv，該距離即為油道徑向偏差，當活塞內(nèi)部存在左、右油道時，計算左、右油道圓心距離等分的中間點，該中間點與活塞外輪廓圓心的距離即為油道徑向偏差σr。

(3) 內(nèi)冷油道軸向偏差是指內(nèi)冷油道在活塞內(nèi)部的高度差，有無軸向偏差示意如圖3所示。

圖3 內(nèi)冷油道有無軸向偏差情況示意

對h/m、h/n處CT斷層圖像進行自動閾值分割形成二值化圖像，提取兩幅CT圖像中相對位置的油道面積，記h/m圖像中油道面積為S1，h/n圖像中對應(yīng)位置油道面積為S2，設(shè)k為斜率，b為截距，則有

(1)

(2)

記h/m圖像或h/n圖像中油道面積最大值為Smax，最小值為Smin，則軸向偏差σ為

σ=k(Smax-Smin)

(3)

當油道存在左、右油道時，分別計算左、右油道在h/m圖像中油道面積(S1左、S1右)，h/n圖像中對應(yīng)位置油道面積(S2左、S2右)，代入式(2)計算k左、k右、b左、b右,則油道整體軸向偏差為

σ=|b左-b右|

(4)

2 檢測試驗

2.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為北京固鴻科技IPT6110 6 MeV型線陣高能工業(yè)CT系統(tǒng)(見圖4)。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：加速器能量為6 MeV；焦點尺寸標稱值為2 mm；采用608通道探測器；垂直準直器開口0.3 mm，通道間隔為1.3 mm，水平準直器為0.25～5 mm可調(diào)；圖像重建矩陣為512×512～4 096×4 096(長×寬)，可選；源到探測器距離為3 421.6 mm；源到轉(zhuǎn)臺中心距離為2 639.4～3 019.4 mm；極限空間分辨率為2.4 lp·mm-1(lp為線對)；密度分辨率優(yōu)于0.3%。

圖4 6 MeV高能工業(yè)CT檢測系統(tǒng)外觀

2.2 試樣

試樣為金屬模鑄造的具有波浪形內(nèi)冷油道的某型號鋁合金活塞(見圖5)，直徑為110 mm，高100 mm，其內(nèi)冷油道采用的成型方法為水溶鹽芯法，有左右兩個油道，共計30件。該型號活塞要求油道軸向偏差不超過5.0 mm，徑向偏差不超過2.5 mm。

圖5 活塞實物

2.3 試驗參數(shù)

首先在DR檢測模式下對活塞試樣進行DR成像檢測；然后在三代CT檢測模式下，設(shè)置切片厚度為0.5 mm，微動次數(shù)為2次，觸發(fā)次數(shù)為4 096次，重建矩陣為4 096×4 096，轉(zhuǎn)臺速度為1.3 轉(zhuǎn)·min-1；在該工藝條件下，對活塞試樣進行CT掃描檢測，活塞油道的尺寸測量精度為50 μm。

2.4 試驗結(jié)果

30個活塞試樣中，測量誤差最大的活塞試樣的DR圖像如圖6所示。

圖6 活塞的DR圖像

從圖6中可以看出，活塞內(nèi)冷油道為波浪形油道，從圖像上難以觀測出油道的軸向偏差，油道高度測量值為12 mm。選取n=6，m=3，在6，4，2 mm高度上進行CT掃描獲得斷層圖像，不同位置的CT圖像如圖7，8，9所示。

圖7 波浪形油道6 mm位置CT圖像

圖8 波浪形油道4 mm位置CT圖像

圖9 波浪形油道2 mm位置CT圖像

內(nèi)冷油道(波浪形)徑向偏差測量時，針對圖像增強處理后的6 mm處內(nèi)冷油道(波浪形)CT斷層圖像進行最大類間方差法自動閾值分割,形成二值化圖像，提取二值化圖像中活塞邊緣，得到活塞外輪廓線、油道外輪廓線和內(nèi)輪廓線。取油道外輪廓線和內(nèi)輪廓線中值為中軸線，活塞外輪廓及油道(左右)中軸線圖像如圖10所示。

圖10 活塞外輪廓及油道(左右)中軸線圖像

針對活塞外輪廓線采用最小二乘法圓形擬合計算出活塞外輪廓圓心Op坐標為x=1 826，y=1 991(像元)；針對左右油道中軸線采用最小二乘法橢圓擬合計算出油道左圓心Ov坐標為x=1 854，y=1 993(像元)，油道右圓心Ov坐標為x=1 753，y=1 987(像元)，每個像元對應(yīng)的實際尺寸為0.048 8 mm。分別計算活塞外輪廓圓心與左右油道圓心的距離，即左油道徑向偏差為1.369 mm，右油道徑向偏差為3.568 mm。計算左、右油道圓心距離等分的中間點為x=1 804，y=1 990(像元)，則該中間點與活塞外輪廓圓心的距離即活塞油道整體徑向偏差σr為1.075 mm。

內(nèi)冷油道(波浪形)軸向偏差測量時，針對圖像增強處理后的4,2 mm處CT圖像,采用最大類間方差法自動閾值分割形成二值化圖像，提取兩幅CT圖像中相對位置的油道面積。測量結(jié)果如圖11所示，圖中油道面積單位為像元數(shù)。

圖11 4 mm和2 mm處CT圖像部分油道面積測量結(jié)果

代入式(1)～(4)可得，左油道的軸向偏差為0.273 mm，右油道的軸向偏差為0.502 mm，油道整體軸向偏差為2.605 mm。

2.5 驗證試驗

為驗證該方法的可行性，將試驗的30件活塞試樣沿活塞橫截面切開，其橫截面如圖12所示。驗證試驗所用設(shè)備為固定橋式三坐標測量機，行程范圍(三軸坐標測量機接觸頭所能運動的x,y,z軸最大距離)為600 mm×800 mm×600 mm，最大允許探測誤差為1.0 μm。

圖12 活塞油道處橫截面示意

測量方法如圖13所示。具體步驟如下：① 測量內(nèi)冷油道徑向偏差時，由于z軸方向?qū)较蚱钣绊戄^小，為了計算方便，僅采用xy軸方向上的數(shù)據(jù)。先對活塞外輪廓線進行擬合得到其圓心Op，分別擬合左右油道內(nèi)外輪廓線得到圓心O左外，O左內(nèi)，O右外，O右內(nèi)，計算O左外，O左內(nèi)的中間點O左，O右外，O右內(nèi)的中間點O右，分別計算O右，O左與Op的距離，即左、右油道的徑向偏差，計算O左，O右的中間點，其與Op的距離即油道整體徑向偏差。② 測量內(nèi)冷油道軸向偏差時，xy軸方向數(shù)據(jù)對徑向偏差測量影響較小，為了計算方便，僅采用z軸方向上的數(shù)據(jù)。選取左右油道波谷處的點，測量z軸坐標，記左油道波谷處點z軸坐標的最大值z左max，最小值為z左min，兩者之差即左油道的軸向偏差；右油道同理。左、右油道所有波谷點z坐標的最大值與最小值之差即活塞內(nèi)冷油道整體軸向偏差。

圖13 三坐標測量機的測量方法示意(“×”表示擬合時所選擇的點)

誤差最大的活塞試樣油道位置的測量結(jié)果如表1所示。

表1 活塞試樣油道位置測量結(jié)果

由表1可以看出，該試樣所有的結(jié)果誤差均在5%以內(nèi)，其余試樣的測量誤差亦在5%以內(nèi)，驗證了該位置偏差測量方法的可靠性。

3 結(jié)論

針對活塞波浪形內(nèi)冷油道位置偏差的測量問題，基于DR和工業(yè)CT線陣掃描技術(shù)，通過合理設(shè)置掃描位置，獲得最少的CT切片，實現(xiàn)活塞波浪形內(nèi)冷油道的軸向偏差、徑向偏差的測量。經(jīng)驗證，其測量誤差在5%以內(nèi)。該方法可用于高能工業(yè)CT測量活塞波浪形內(nèi)冷油道位置偏差，與傳統(tǒng)的面陣CT技術(shù)相比，具有成本低，效率高等優(yōu)點。