零件磨削表面质量的检测与研究
零件磨削表面质量的检测与研究
表面质量是工件性能的一个重要组成部分，而磨削烧伤和裂纹是影响工件性能的一个重要因素，因此对于材料烧伤和裂纹的研究是十分必要的。本文主要对磨削烧伤和裂纹进行检测。对于磨削烧伤，采用图像处理技术进行检测，利用MATLAB软件的图像处理能力并结合Visual Basic设计开发零件表面烧伤度分析系统，大大的提高了检测的效率和精度。对于磨削裂纹，采用声发射仪器获取零件的信号，利用小波包对采集到的信号进行去噪处理，然后对去噪后的信号进行分析，最后判断磨削裂纹。
关键词 表面质量，磨削烧伤，裂纹，分析系统，图像处理
1 引言 1
1.1 零件磨削表面质量的分类及定义 1
1.2 磨削表面质量完好的重要性 2
1.3 磨削烧伤以及裂纹的本质及其原因 3
1.4 国内外零件磨削表面质量检测与研究现状 3
1.5 课题研究的背景以及意义 5
1.6 本课题研究内容及手段 6
2 磨削烧伤的检测 6
2.1 评价体系的建立 6
2.2 图像的采集 7
2.3 图像的处理 8
2.3.1 MATLAB简介 8
2.3.2 MATLAB图像处理 9
2.3.3 数据统计 11
2.4 烧伤的判断 13
2.5 零件表面烧伤度分析系统的建立 13
2.5.1 系统设计平台 13
2.5.2 MATLAB与Visual Basic接口 15
2.5.3 VB窗口的建立及程序编写 16
2.5.4 系统功能测试 20
2.6 磨削烧伤解决办法 21
3 磨削裂纹的检测 21
3.1 信号获取 22
3.1.1 声发射简介 22
3.1.2 声发射获取信号 23
3.2 信号去噪 24
3.3 信号分析 27
4 课题成果及展望 29
4.1 课题成果 29
4.2 展望 29
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 引言
磨削表面质量由表面宏观状态、表面粗糙度、表面层微现金相组织及硬度、表面残余应力组成。磨削技术在材料加工中有着及其重要的地位，它不仅是大部分产品成型前的最后一道工序，而且，随着磨削技术的飞速发展，磨削加工的能力和范围日渐扩大。近年来， 磨削表面烧伤、裂纹以及毛刺一直是磨削研究的关键问题。
磨削表面烧伤是指在磨削热的作用下，工作表面层金属组织发生的一系列微观变化; 尤为重要的是烧伤后带来的残余应力导致零件发生疲劳失效或断裂等。常见的方法是通过大量实验。找出温度变化规律，优化工艺条件来避免出现烧伤工件， 该方法费时费资且满足度较差。随着我国航空航天事业不断地发展， 越来越多的工件将被用到飞机或航天器上，但是由于该领域的工作条件恶劣，绝大部分的工件要面临重载、高温和高速的考验。这就对工件的使用性能提出了很高的要求，如耐磨性能、耐腐蚀性能、耐高温性能、耐疲劳性能等。表面质量是工件性能的一个重要组成部分，而磨削烧伤和裂纹是影响工件表面质量的一个重要因素，因此对于材料烧伤、裂纹的研究是十分必要的。
1.1 零件磨削表面质量的分类及定义
表面粗糙度是表征已加工表面质量的重要参数之一，直接影响零件的使用性能。它是大量磨粒进行切削后留下的微观痕迹的集合。影响表面粗糙度的因素很多，比如砂轮的特性和切削用量的影响，在实际加工中，还有磨削方式、磨削行程数、前道工序粗糙度、切刃形状、修整条件、磨削液、以及磨削振动都对表面粗糙度有不同程度的影响。表面粗糙度对工件有着重要的影响，它影响工件的使用寿命，还影响着零件的疲劳强度，因此，控制零件的表面粗糙度有着极其重要的意义。
很多机械零件都需要经过磨削加工，由于磨削区的瞬时高温（900~1500℃）形成零件表面组织发生局部变化，并在表面的某些部分形成氧化变色，这种现象称为磨削烧伤。根据烧伤外观不同可分全面烧伤、斑状烧伤、均匀线条状烧伤、周期线条状烧伤等；根据烧伤深度又可分浅度、中度、深度烧伤。最常见的是均匀或周期的线条状烧伤。由于烧伤往往表面伴有氧化作用，形成氧化膜，所以可根据表面颜色判断烧伤程度，一般表面颜色随着烧伤程度的加深，依次是黄、褐、紫、兰。工件表面层发生的烧伤使产品性能和寿命大幅度下降，甚至更本不能使用，造成严重的质量问题。实践证明，许多精密零件在原始制造时可以达到很高的精度，但由于磨削烧伤问题的存在，零件运转后很快磨损，丧失精度而失效，从而造成很大的经济损失。
在磨削过程中或磨削后零件表面形成裂纹称磨削裂纹，有些用肉眼可看到，有的需用特殊仪器，其产生原因是零件表层内应力超过了材料的断裂极限。一般拉应力断裂极限要小于压缩断裂极限，因此拉应力更容易导致裂纹的产生。所以磨前的残余拉应力使磨削过程更容易产生拉伸裂纹，而要控制磨削裂纹的产生，必须同时控制磨削应力和磨前残余应力。在我们磨削加工中，由于采取淬火回火工序，所以磨前残余应力较少，只要磨削过程减小磨削应力就可以防止裂纹产生。
除了上述内容，还有很多，比如波纹，划痕，表面残余应力等，所以有必要建立起磨削淬硬加工表面缺陷的评价方法，就工件表面的缺陷进行检测和评价，从而将有缺陷的分离开来。
1.2 磨削表面质量完好的重要性
磨削是一种常用的精密加工方法，能获得很高的加工精度和表面质量。在当今的钦合金、高温合金、超高强度钢、不锈钢及高温结构陶瓷等难加工材料的加工中，特别是在成形表面的加工中，磨削都是一种非常有效的加工方法。磨削力和磨削表面粗糙度是表征磨削过程的两个最重要的参数。磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨料和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。研究磨削力的目的在于弄清楚磨削过程的基本情况，它不仅是磨床设计的基础，也是磨削研究中的主要对象。不论是机床设计还是工艺改进都需要知道磨削力的大小。而产品的机械加工质量除了加工精度之外，表面质量就是一个及其重要的方面，表面粗糙度则是衡量表面质量最重要的参数。产品的工作性能，尤其是它的安全性、可靠性和使用寿命都与产品的表面质量密切相关，如零件的耐磨性，疲劳强度、配合精度、耐腐蚀性等，除了与材料本身的性能和热处理有关外，主要决定于加工后的表面完整程度。随着产品性能的不断提高， 一些重要零件必须在高应力、高速、高温等条件下工作，由于表面上作用着最大的应力并直接受到外界介质的腐蚀，许多零件的损坏都是从几何表面下几十微米范围内开始的。这些事实说明，表面层次的任何缺陷都可能引起应力集中、应力腐蚀等现象而导致零件的损坏，因此表面完整性问题变得更加突出和重要。
1.3 磨削烧伤以及裂纹的本质及其原因
在机械类产品中，很多重要零部件如轴承、齿轮、曲轴、凸轮轴、活塞销和万向节等，在热处理之后均需要进行磨削加工。相比之下，磨削时单位切削面积上的功率消耗远远超过其它加工方法，所转化的热量大部分会进入零件表层，因此容易引起加工面金相组织的变化。在工艺参数、冷却方法和磨料状态选择不当的情况下，工件在磨削过程中极易出现相当深的金相组织变化层（即回火层），并伴随出现很大的参与应力，甚至导致出现裂纹，这就是所谓的磨削烧伤问题。
磨削时，由于磨削区瞬时产生高温（一般为400-1500℃），使工件表层组织发生局部变化，并在表面某些部分出现变色（即氧化膜的颜色 黄，褐，紫，青等色），这种现象称为磨削烧伤。因此，磨削烧伤的实质磨削表面层金相组织的变化。
不同材料的金相组织不同，磨削烧伤的特点也不同。根据烧伤的外观一般分为全面烧伤、斑状烧伤、均匀线条烧伤及周期条状烧伤。安表层组织的变化特性，又可分为三种类型：回火烧伤、二次淬火烧伤及退火烧伤。其中回火烧伤最为常见。
众所周知，钢材磨削时，磨削接触区的温度是很高的，例如磨削区表层最高温度可达1000℃。由于温度升高，必然引起钢材表层组织的变化。当温度超过相变温度时，珠光体向奥氏体转变，随后就被钢材心部较冷的部分淬硬，得到淬火马氏体，这就形成钢材表层的二次淬火烧伤。即使温度在相变温度以下，也会使回火马氏体向屈氏体或者索氏体转变，使表层软化，就形成回火烧伤。必须指出，磨削区内的瞬间高温是形成变质层的主要原因，但它不同于一般的热处理加热，除服从一般钢材加热组织变化规律外，有其自身的特点。首先，它需要更大的过热温度；它的组织转变是不充分的。此外，在烧伤的变质层内存在较大的残余应力，而当残余应力超过材料的极限强度时，就会产生裂纹。
1.4 国内外零件磨削表面质量检测与研究现状
由于很多零件要面临着重载、高温、和高速的考验，这就对工件的使用性能提出了很高的要求，如耐磨性能、耐腐蚀性能、耐高温性能、耐疲劳性能等。表面质量是工件性能的一个重要组成部分，而烧伤是影响工件性能的一个重要因素，因此对于材料烧伤的研究是十分必要的。
目前材料传统的烧伤的评定方法有：目测法、酸洗法、切削温度法、烧伤层深度法、表面显微硬度法和残余应力法。
近年来，利用巴克豪森（又称BNA法、磁弹法）研制的测试仪器已在零部件表面磨削烧伤检测中逐步得到应用，并充分显现出其优越性。磁弹法是以1919年发现的物理学Barkhausen效应为基础开发的一种测试方法，它能有效地对磨削烧伤进行测试。
目前裂纹的检测主要用无损检测方法。无损检测（Nondestructive Testing，ND），就是研发和应用各种技术方法，以不损害被检对像未来用途和功能的方式，为探测、定位、测量和评价缺陷，评估完整性、性能和成分，测量几何特征，而对材料进行的检测。射线照相检测和超声检测主要用于检测内部缺陷，磁粉检测和涡流检测可以检测表面和近表面缺陷，液体渗透只能检测表面开口缺陷。下面是几种常见无损检测方法简述：
涡流检测（Eddy Current Testing ，ET）是基于电磁感应原理揭示导电材料表面和近表面缺陷的无损检测方法。
液体渗透检测（Liquid Penetrant testing ，PT）是基于毛细管现象揭示非多孔性固体材料表面开口缺陷的无损检测方法。简称渗透检测。有两种渗透检测方法：荧光渗透检测和着色渗透检测。
磁粉检测（Magnetic Particle Testing ，MT）是基于缺陷处漏磁场与磁粉的相互作用而显示铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测方法。
射线照相检测（Radiographic Testing ，RT）是基于被测件对透入射线（无论是波长很短的电磁辐射还是粒子辐射）的不同吸收来检测零件内部缺陷的无损检测方法。
超声检测（Ultrasonic Testing ，UT）是利用超声波（常用频率为0.5 ~ 25 MHz）在介质中传播时产生衰减，遇到界面产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法。
表面质量是工件性能的一个重要组成部分，而磨削烧伤和裂纹是影响工件性能的一个重要因素，因此对于材料烧伤和裂纹的研究是十分必要的。本文主要对磨削烧伤和裂纹进行检测。对于磨削烧伤，采用图像处理技术进行检测，利用MATLAB软件的图像处理能力并结合Visual Basic设计开发零件表面烧伤度分析系统，大大的提高了检测的效率和精度。对于磨削裂纹，采用声发射仪器获取零件的信号，利用小波包对采集到的信号进行去噪处理，然后对去噪后的信号进行分析，最后判断磨削裂纹。
关键词 表面质量，磨削烧伤，裂纹，分析系统，图像处理
1 引言 1
1.1 零件磨削表面质量的分类及定义 1
1.2 磨削表面质量完好的重要性 2
1.3 磨削烧伤以及裂纹的本质及其原因 3
1.4 国内外零件磨削表面质量检测与研究现状 3
1.5 课题研究的背景以及意义 5
1.6 本课题研究内容及手段 6
2 磨削烧伤的检测 6
2.1 评价体系的建立 6
2.2 图像的采集 7
2.3 图像的处理 8
2.3.1 MATLAB简介 8
2.3.2 MATLAB图像处理 9
2.3.3 数据统计 11
2.4 烧伤的判断 13
2.5 零件表面烧伤度分析系统的建立 13
2.5.1 系统设计平台 13
2.5.2 MATLAB与Visual Basic接口 15
2.5.3 VB窗口的建立及程序编写 16
2.5.4 系统功能测试 20
2.6 磨削烧伤解决办法 21
3 磨削裂纹的检测 21
3.1 信号获取 22
3.1.1 声发射简介 22
3.1.2 声发射获取信号 23
3.2 信号去噪 24
3.3 信号分析 27
4 课题成果及展望 29
4.1 课题成果 29
4.2 展望 29
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 引言
磨削表面质量由表面宏观状态、表面粗糙度、表面层微现金相组织及硬度、表面残余应力组成。磨削技术在材料加工中有着及其重要的地位，它不仅是大部分产品成型前的最后一道工序，而且，随着磨削技术的飞速发展，磨削加工的能力和范围日渐扩大。近年来， 磨削表面烧伤、裂纹以及毛刺一直是磨削研究的关键问题。
磨削表面烧伤是指在磨削热的作用下，工作表面层金属组织发生的一系列微观变化; 尤为重要的是烧伤后带来的残余应力导致零件发生疲劳失效或断裂等。常见的方法是通过大量实验。找出温度变化规律，优化工艺条件来避免出现烧伤工件， 该方法费时费资且满足度较差。随着我国航空航天事业不断地发展， 越来越多的工件将被用到飞机或航天器上，但是由于该领域的工作条件恶劣，绝大部分的工件要面临重载、高温和高速的考验。这就对工件的使用性能提出了很高的要求，如耐磨性能、耐腐蚀性能、耐高温性能、耐疲劳性能等。表面质量是工件性能的一个重要组成部分，而磨削烧伤和裂纹是影响工件表面质量的一个重要因素，因此对于材料烧伤、裂纹的研究是十分必要的。
1.1 零件磨削表面质量的分类及定义
表面粗糙度是表征已加工表面质量的重要参数之一，直接影响零件的使用性能。它是大量磨粒进行切削后留下的微观痕迹的集合。影响表面粗糙度的因素很多，比如砂轮的特性和切削用量的影响，在实际加工中，还有磨削方式、磨削行程数、前道工序粗糙度、切刃形状、修整条件、磨削液、以及磨削振动都对表面粗糙度有不同程度的影响。表面粗糙度对工件有着重要的影响，它影响工件的使用寿命，还影响着零件的疲劳强度，因此，控制零件的表面粗糙度有着极其重要的意义。
很多机械零件都需要经过磨削加工，由于磨削区的瞬时高温（900~1500℃）形成零件表面组织发生局部变化，并在表面的某些部分形成氧化变色，这种现象称为磨削烧伤。根据烧伤外观不同可分全面烧伤、斑状烧伤、均匀线条状烧伤、周期线条状烧伤等；根据烧伤深度又可分浅度、中度、深度烧伤。最常见的是均匀或周期的线条状烧伤。由于烧伤往往表面伴有氧化作用，形成氧化膜，所以可根据表面颜色判断烧伤程度，一般表面颜色随着烧伤程度的加深，依次是黄、褐、紫、兰。工件表面层发生的烧伤使产品性能和寿命大幅度下降，甚至更本不能使用，造成严重的质量问题。实践证明，许多精密零件在原始制造时可以达到很高的精度，但由于磨削烧伤问题的存在，零件运转后很快磨损，丧失精度而失效，从而造成很大的经济损失。
在磨削过程中或磨削后零件表面形成裂纹称磨削裂纹，有些用肉眼可看到，有的需用特殊仪器，其产生原因是零件表层内应力超过了材料的断裂极限。一般拉应力断裂极限要小于压缩断裂极限，因此拉应力更容易导致裂纹的产生。所以磨前的残余拉应力使磨削过程更容易产生拉伸裂纹，而要控制磨削裂纹的产生，必须同时控制磨削应力和磨前残余应力。在我们磨削加工中，由于采取淬火回火工序，所以磨前残余应力较少，只要磨削过程减小磨削应力就可以防止裂纹产生。
除了上述内容，还有很多，比如波纹，划痕，表面残余应力等，所以有必要建立起磨削淬硬加工表面缺陷的评价方法，就工件表面的缺陷进行检测和评价，从而将有缺陷的分离开来。
1.2 磨削表面质量完好的重要性
磨削是一种常用的精密加工方法，能获得很高的加工精度和表面质量。在当今的钦合金、高温合金、超高强度钢、不锈钢及高温结构陶瓷等难加工材料的加工中，特别是在成形表面的加工中，磨削都是一种非常有效的加工方法。磨削力和磨削表面粗糙度是表征磨削过程的两个最重要的参数。磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨料和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。研究磨削力的目的在于弄清楚磨削过程的基本情况，它不仅是磨床设计的基础，也是磨削研究中的主要对象。不论是机床设计还是工艺改进都需要知道磨削力的大小。而产品的机械加工质量除了加工精度之外，表面质量就是一个及其重要的方面，表面粗糙度则是衡量表面质量最重要的参数。产品的工作性能，尤其是它的安全性、可靠性和使用寿命都与产品的表面质量密切相关，如零件的耐磨性，疲劳强度、配合精度、耐腐蚀性等，除了与材料本身的性能和热处理有关外，主要决定于加工后的表面完整程度。随着产品性能的不断提高， 一些重要零件必须在高应力、高速、高温等条件下工作，由于表面上作用着最大的应力并直接受到外界介质的腐蚀，许多零件的损坏都是从几何表面下几十微米范围内开始的。这些事实说明，表面层次的任何缺陷都可能引起应力集中、应力腐蚀等现象而导致零件的损坏，因此表面完整性问题变得更加突出和重要。
1.3 磨削烧伤以及裂纹的本质及其原因
在机械类产品中，很多重要零部件如轴承、齿轮、曲轴、凸轮轴、活塞销和万向节等，在热处理之后均需要进行磨削加工。相比之下，磨削时单位切削面积上的功率消耗远远超过其它加工方法，所转化的热量大部分会进入零件表层，因此容易引起加工面金相组织的变化。在工艺参数、冷却方法和磨料状态选择不当的情况下，工件在磨削过程中极易出现相当深的金相组织变化层（即回火层），并伴随出现很大的参与应力，甚至导致出现裂纹，这就是所谓的磨削烧伤问题。
磨削时，由于磨削区瞬时产生高温（一般为400-1500℃），使工件表层组织发生局部变化，并在表面某些部分出现变色（即氧化膜的颜色 黄，褐，紫，青等色），这种现象称为磨削烧伤。因此，磨削烧伤的实质磨削表面层金相组织的变化。
不同材料的金相组织不同，磨削烧伤的特点也不同。根据烧伤的外观一般分为全面烧伤、斑状烧伤、均匀线条烧伤及周期条状烧伤。安表层组织的变化特性，又可分为三种类型：回火烧伤、二次淬火烧伤及退火烧伤。其中回火烧伤最为常见。
众所周知，钢材磨削时，磨削接触区的温度是很高的，例如磨削区表层最高温度可达1000℃。由于温度升高，必然引起钢材表层组织的变化。当温度超过相变温度时，珠光体向奥氏体转变，随后就被钢材心部较冷的部分淬硬，得到淬火马氏体，这就形成钢材表层的二次淬火烧伤。即使温度在相变温度以下，也会使回火马氏体向屈氏体或者索氏体转变，使表层软化，就形成回火烧伤。必须指出，磨削区内的瞬间高温是形成变质层的主要原因，但它不同于一般的热处理加热，除服从一般钢材加热组织变化规律外，有其自身的特点。首先，它需要更大的过热温度；它的组织转变是不充分的。此外，在烧伤的变质层内存在较大的残余应力，而当残余应力超过材料的极限强度时，就会产生裂纹。
1.4 国内外零件磨削表面质量检测与研究现状
由于很多零件要面临着重载、高温、和高速的考验，这就对工件的使用性能提出了很高的要求，如耐磨性能、耐腐蚀性能、耐高温性能、耐疲劳性能等。表面质量是工件性能的一个重要组成部分，而烧伤是影响工件性能的一个重要因素，因此对于材料烧伤的研究是十分必要的。
目前材料传统的烧伤的评定方法有：目测法、酸洗法、切削温度法、烧伤层深度法、表面显微硬度法和残余应力法。
近年来，利用巴克豪森（又称BNA法、磁弹法）研制的测试仪器已在零部件表面磨削烧伤检测中逐步得到应用，并充分显现出其优越性。磁弹法是以1919年发现的物理学Barkhausen效应为基础开发的一种测试方法，它能有效地对磨削烧伤进行测试。
目前裂纹的检测主要用无损检测方法。无损检测（Nondestructive Testing，ND），就是研发和应用各种技术方法，以不损害被检对像未来用途和功能的方式，为探测、定位、测量和评价缺陷，评估完整性、性能和成分，测量几何特征，而对材料进行的检测。射线照相检测和超声检测主要用于检测内部缺陷，磁粉检测和涡流检测可以检测表面和近表面缺陷，液体渗透只能检测表面开口缺陷。下面是几种常见无损检测方法简述：
涡流检测（Eddy Current Testing ，ET）是基于电磁感应原理揭示导电材料表面和近表面缺陷的无损检测方法。
液体渗透检测（Liquid Penetrant testing ，PT）是基于毛细管现象揭示非多孔性固体材料表面开口缺陷的无损检测方法。简称渗透检测。有两种渗透检测方法：荧光渗透检测和着色渗透检测。
磁粉检测（Magnetic Particle Testing ，MT）是基于缺陷处漏磁场与磁粉的相互作用而显示铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测方法。
射线照相检测（Radiographic Testing ，RT）是基于被测件对透入射线（无论是波长很短的电磁辐射还是粒子辐射）的不同吸收来检测零件内部缺陷的无损检测方法。
超声检测（Ultrasonic Testing ，UT）是利用超声波（常用频率为0.5 ~ 25 MHz）在介质中传播时产生衰减，遇到界面产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法。
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