徐鳳麗，倪培君，齊子誠(chéng)，張維國(guó)，付 康

(中國(guó)兵器科學(xué)研究院 寧波分院，寧波 315103)

伴隨著柴油機(jī)向高強(qiáng)化、緊湊化、輕量化方向發(fā)展，柴油機(jī)熱負(fù)荷問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，其內(nèi)部活塞承受周期性熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)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(guò)機(jī)油流動(dòng)帶走熱量對(duì)活塞頭部區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)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(duì)活塞各個(gè)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(jī)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(dòng)，均會(huì)造成內(nèi)冷油道位置產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，當(dāng)內(nèi)冷油道在活塞內(nèi)部位置與設(shè)計(jì)要求偏差較大時(shí)，則會(huì)影響活塞冷卻效果，導(dǎo)致活塞頭部強(qiáng)度下降，甚至引發(fā)安全事故。因此對(duì)活塞內(nèi)冷油道進(jìn)行形狀和位置檢測(cè)十分重要，直接關(guān)系到柴油機(jī)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(biāo)儀無(wú)法直接測(cè)量，目前主要采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)內(nèi)冷油道位置進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)傳統(tǒng)圓環(huán)形狀內(nèi)冷油道位置測(cè)量的無(wú)損檢測(cè)方法主要有工業(yè)CT檢測(cè)和超聲波檢測(cè)[13-14]。工業(yè)CT檢測(cè)方法是對(duì)活塞進(jìn)行DR(數(shù)字射線成像)和CT(計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)油道軸向偏差測(cè)量。該方法是在DR圖像上觀測(cè)油道整體頂部位置，通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)量?jī)?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(cè)形成油道C掃描圖像，在圖像上測(cè)量徑向偏差[16]。當(dāng)內(nèi)冷油道為波浪形時(shí)，DR圖像上重影較為嚴(yán)重，測(cè)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(wú)法返回，超聲波檢測(cè)也無(wú)法開(kāi)展。

文章針對(duì)活塞波浪形內(nèi)冷油道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢測(cè)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(cè)量方法，與其他檢測(cè)方法相比，該方法檢測(cè)成本及效率最優(yōu)。

1 測(cè)量方法

工業(yè)CT技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被檢測(cè)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(wú)影像重疊、分辨率高等特點(diǎn)。其基本原理是依據(jù)射線在被檢測(cè)工件中的減弱和吸收特性，通過(guò)探測(cè)器采集穿過(guò)工件的射線信號(hào)，獲得工件內(nèi)部的詳細(xì)信息，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)信息處理和圖像重建技術(shù)，以圖像形式顯示出來(lái)。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(diǎn)在于數(shù)據(jù)全面，但是單次掃描時(shí)間長(zhǎng)(30 min左右)，每次僅可掃描一件活塞，檢測(cè)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(diǎn)在于掃描速度快，當(dāng)采用高能加速器作射線源時(shí)，可一次掃描多件活塞，掃描時(shí)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(guò)合理設(shè)置掃描位置，采用最少的CT切片實(shí)現(xiàn)活塞波浪形內(nèi)冷油道的軸向、徑向偏差測(cè)量，具體步驟如下。

(1) 采用X射線線陣探測(cè)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(jìn)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(wú)徑向偏差示意如圖2所示。

圖2 內(nèi)冷油道有無(wú)徑向偏差示意

對(duì)h/2處CT斷層圖像進(jìn)行自動(dòng)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(duì)活塞外輪廓線，采用圓形擬合法(如最小二乘法)計(jì)算出活塞外輪廓圓心Op，計(jì)算油道外輪廓線和內(nèi)輪廓線的中軸線，對(duì)該中軸線采用橢圓擬合法計(jì)算出油道圓心Ov，當(dāng)活塞內(nèi)部存在左、右油道時(shí)，對(duì)左、右油道中軸線分別采用橢圓擬合法計(jì)算各自的油道圓心。當(dāng)活塞內(nèi)部?jī)H有一條油道時(shí)，計(jì)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(dāng)活塞內(nèi)部存在左、右油道時(shí)，計(jì)算左、右油道圓心距離等分的中間點(diǎn)，該中間點(diǎn)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(wú)軸向偏差示意如圖3所示。

圖3 內(nèi)冷油道有無(wú)軸向偏差情況示意

對(duì)h/m、h/n處CT斷層圖像進(jìn)行自動(dòng)閾值分割形成二值化圖像，提取兩幅CT圖像中相對(duì)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(duì)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(dāng)油道存在左、右油道時(shí)，分別計(jì)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(duì)應(yīng)位置油道面積(S2左、S2右)，代入式(2)計(jì)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(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)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(jiàn)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(diǎn)尺寸標(biāo)稱值為2 mm；采用608通道探測(cè)器；垂直準(zhǔn)直器開(kāi)口0.3 mm，通道間隔為1.3 mm，水平準(zhǔn)直器為0.25～5 mm可調(diào)；圖像重建矩陣為512×512～4 096×4 096(長(zhǎng)×寬)，可選；源到探測(cè)器距離為3 421.6 mm；源到轉(zhuǎn)臺(tái)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(duì))；密度分辨率優(yōu)于0.3%。

圖4 6 MeV高能工業(yè)CT檢測(cè)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(hào)鋁合金活塞(見(jiàn)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(gè)油道，共計(jì)30件。該型號(hào)活塞要求油道軸向偏差不超過(guò)5.0 mm，徑向偏差不超過(guò)2.5 mm。

圖5 活塞實(shí)物

2.3 試驗(yàn)參數(shù)

首先在DR檢測(cè)模式下對(duì)活塞試樣進(jìn)行DR成像檢測(cè)；然后在三代CT檢測(cè)模式下，設(shè)置切片厚度為0.5 mm，微動(dòng)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(tái)速度為1.3 轉(zhuǎn)·min-1；在該工藝條件下，對(duì)活塞試樣進(jìn)行CT掃描檢測(cè)，活塞油道的尺寸測(cè)量精度為50 μm。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

30個(gè)活塞試樣中，測(cè)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(cè)出油道的軸向偏差，油道高度測(cè)量值為12 mm。選取n=6，m=3，在6，4，2 mm高度上進(jìn)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(cè)量時(shí)，針對(duì)圖像增強(qiáng)處理后的6 mm處內(nèi)冷油道(波浪形)CT斷層圖像進(jìn)行最大類間方差法自動(dòng)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(duì)活塞外輪廓線采用最小二乘法圓形擬合計(jì)算出活塞外輪廓圓心Op坐標(biāo)為x=1 826，y=1 991(像元)；針對(duì)左右油道中軸線采用最小二乘法橢圓擬合計(jì)算出油道左圓心Ov坐標(biāo)為x=1 854，y=1 993(像元)，油道右圓心Ov坐標(biāo)為x=1 753，y=1 987(像元)，每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的實(shí)際尺寸為0.048 8 mm。分別計(jì)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(jì)算左、右油道圓心距離等分的中間點(diǎn)為x=1 804，y=1 990(像元)，則該中間點(diǎn)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(cè)量時(shí)，針對(duì)圖像增強(qiáng)處理后的4,2 mm處CT圖像,采用最大類間方差法自動(dòng)閾值分割形成二值化圖像，提取兩幅CT圖像中相對(duì)位置的油道面積。測(cè)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(cè)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(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證該方法的可行性，將試驗(yàn)的30件活塞試樣沿活塞橫截面切開(kāi)，其橫截面如圖12所示。驗(yàn)證試驗(yàn)所用設(shè)備為固定橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，行程范圍(三軸坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸頭所能運(yùn)動(dòng)的x,y,z軸最大距離)為600 mm×800 mm×600 mm，最大允許探測(cè)誤差為1.0 μm。

圖12 活塞油道處橫截面示意

測(cè)量方法如圖13所示。具體步驟如下：① 測(cè)量?jī)?nèi)冷油道徑向偏差時(shí)，由于z軸方向?qū)较蚱钣绊戄^小，為了計(jì)算方便，僅采用xy軸方向上的數(shù)據(jù)。先對(duì)活塞外輪廓線進(jìn)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(jì)算O左外，O左內(nèi)的中間點(diǎn)O左，O右外，O右內(nèi)的中間點(diǎn)O右，分別計(jì)算O右，O左與Op的距離，即左、右油道的徑向偏差，計(jì)算O左，O右的中間點(diǎn)，其與Op的距離即油道整體徑向偏差。② 測(cè)量?jī)?nèi)冷油道軸向偏差時(shí)，xy軸方向數(shù)據(jù)對(duì)徑向偏差測(cè)量影響較小，為了計(jì)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(diǎn)，測(cè)量z軸坐標(biāo)，記左油道波谷處點(diǎn)z軸坐標(biāo)的最大值z(mì)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(diǎn)z坐標(biāo)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(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量方法示意(“×”表示擬合時(shí)所選擇的點(diǎn))

誤差最大的活塞試樣油道位置的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 活塞試樣油道位置測(cè)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(cè)量誤差亦在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了該位置偏差測(cè)量方法的可靠性。

3 結(jié)論

針對(duì)活塞波浪形內(nèi)冷油道位置偏差的測(cè)量問(wèn)題，基于DR和工業(yè)CT線陣掃描技術(shù)，通過(guò)合理設(shè)置掃描位置，獲得最少的CT切片，實(shí)現(xiàn)活塞波浪形內(nèi)冷油道的軸向偏差、徑向偏差的測(cè)量。經(jīng)驗(yàn)證，其測(cè)量誤差在5%以內(nèi)。該方法可用于高能工業(yè)CT測(cè)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(diǎn)。