Способ определения степени шаржирования металлических поверхностей абразивными зёрнами из сверхтвердых абразивных материалов
METHOD FOR DETERMINING THE DEGREE OF CARICATURING OF METAL SURFACES BY ABRASIVE GRAINS FROM SUPERHARD ABRASIVE MATERIALS

Изобретение относится к абразивной обработке материалов и может быть использовано для контроля степени шаржирования материала после абразивной обработки с использованием алмаза или кубического нитрида бора.
Известен способ определения степени шаржирования поверхностей изделия абразивными частицами [Авторское свидетельство SU179072, МПК G01n, опубл. 03.11.1966г.], заключающийся в использовании абразивного инструмента, содержащего люминесцентные зёрна и определении количества и размера видимых частиц с помощью микроскопа и люминесцентного осветителя.
Недостаток данного способа заключается в том, что степень шаржирования определяется исключительно по люминесцентным зёрнам и как следствие, ограничивается область применения данного способа. Также для реализации данного способа необходимо изготовить специальный инструмент.
Известен метод поверхностного анализа минеральных частиц [Патент JP2018081092, МПК G01N1/28, G01N1/36, G01N23/04, G01N23/203, G01N23/2206, G01N23/2252, опубл. 24.05.2018г.], включающий в себя поиск минеральных частиц в руде путем регистрации обратно-рассеянных электронов и их идентификацию методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.
Недостатком данного метода является необходимость использования химического анализа и отсутствие количественной оценки содержания минералов. Данный метод применяется исключительно в горнодобывающей промышленности и применяется только для оценки наличия минеральных частиц в руде.
Наиболее близким и принятым за прототип является морфологическое исследование режущего инструмента из кубического нитрида бора (CBN) и характеристика сценариев его износа в процессе абразивной обработки (Fang S. Morphological study of a cubic boron nitride (CBN) cutting tool and characterization of its wear scenarios in abrasive machining process // Ceramics International. – 2020. – Vol. 46 – P. 19491–19498. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.04.302.) В данном исследовании использовались изображения, полученные методом обратно-рассеянных электронов, для создания математической модели формы шаржированных частиц с последующим 3-d моделированием. Количество шаржированных частиц определяют по созданным 3-d моделям.
Недостатком методики, использованной в данном исследовании, является трудоемкость реализации способа, а также недостоверность полученных данных, потому что количественная оценка проводится только для крупных (хорошо различимых) шаржированных частиц.
Задачей изобретения является разработка способа оценки интенсивности шаржирования при абразивной обработке поверхности, позволяющего доступно и наиболее точно определить площадь, которую занимают шаржированные частицы на поверхности обработанного материала.
Технический результат – повышение надежности и точности оценки степени шаржирования поверхности при абразивной обработке.
Технический результат достигается при использовании способа определения степени шаржирования металлических поверхностей абразивными зёрнами из сверхтвердых абразивных материалов включающего получение изображений обработанной поверхности с помощью микроскопа и оценку количества шаржированных на обработанной поверхности частиц, при этом изображение получают методом обратно-рассеянных электронов, а для оценки количества шаржированных частиц выполняется дополнительная обработка изображения, в виде изменения контраста и яркости изображения, определение количества самых темных (черных) пикселей на растровом изображении посредством программного обеспечения, с последующим определением степени шаржирования по выражению:
,
1
2
где S – степень шаржирования, С – общее количество пикселей изображения, С – количество тёмных пикселей.
Изображения, полученные методом регистрации обратно-рассеянных электронов, позволяют определить не только количество, но и идентифицировать вид внедренных (шаржированных) частиц абразивного материала по цветовым параметрам. Такой подход также позволяет произвести расчет не только крупных и хорошо различимых частиц, но и учитывать даже самые маленькие частицы, поскольку увеличение, на котором будут получены изображения, определяется таким образом, чтобы площадь мельчайшей шаржированной частицы была больше разрешения микроскопа. Все внедренные частицы – это продукты износа шлифовального круга, зернистость которого, известна из маркировки. Размер внедренных частиц зависит также от механизма износа абразивных зёрен. Для установления минимальной площади таких частиц используется диапазон увеличений от 500 до 4000 крат. Далее разрешение выбирается таким образом, чтобы площадь минимальной частицы была больше площади, передаваемой (отображаемой) одним пикселем получаемого цифрового изображения. Разрешающая способностью электронного микроскопа измеряется в нано метровом диапазоне и в 1000 раз ниже масштаба измеряемых частиц, что позволяет достичь высокой точности определения шаржированных частиц, любых размеров. Надёжность построения цифрового изображения и определения количества частиц обусловлена диаметром пучка электронов, который очень мал, что позволяет регистрировать даже самые маленькие шаржированные частицы.
Возможность цветовой идентификации шаржированных частиц позволяет исключить частицы неабразивного характера, не учитываемые при расчете, но имеющиеся на обработанной поверхности, что повышает точность и надежность полученных данных.
Применение дополнительной обработки - изменение контраста и яркости, - к таким изображениям, позволяет более точно выявить шаржированные частицы на поверхности обработанного материала, особенно в случаях, когда наличие микронеровностей обработанной поверхности маскирует шаржированные частицы.
Применение к обработанным изображениям программного обеспечения, с функцией построения гистограммы распределения элементов цифрового изображения, позволяет быстро рассчитать количество шаржированных частиц и на основе полученных данных произвести математический расчет степень шаржирования. При оценке степени шаржирования оценивается отношение количества темных (чёрных) пикселей к общему количеству пикселей изображения, тогда в расчете будут учитываются только шаржированные частицы, поскольку изображения были предварительно обработаны и очищены, а также будут учтены все частицы любых форм и размеров.
На Фиг. 1 показано изображение титанового сплава, шаржированного кубическим нитридом бора (КНБ), полученное датчиком вторичны электронов.
На Фиг. 2 показано изображение титанового сплава, шаржированного КНБ, полученное регистрацией обратно рассеянных электронов.
На Фиг. 3 показано изображение титанового сплава, шаржированного КНБ после настройки яркости и контраста, обработанное в графическом редакторе GNU Image Manipulation Program 2.10.20.
Способ определения степени шаржирования металлических поверхностей абразивными зёрнами из сверхтвердых абразивных материалов реализуется следующим образом.
В процессе абразивной обработки изношенные частицы шаржируются в поверхностный слой обрабатываемой детали. После абразивной обработки необходимо очистить поверхностный слой обрабатываемой детали от загрязнений при помощи ультразвука. После этого получают изображения поверхностного слоя, при помощи электронного микроскопа, путем регистрации обратно-рассеянных электронов. Каждая частица излучает свет с заданной яркостью в соответствии со средним атомным номером. Исходя из того, что внедренными в поверхность заготовки частицами могут быть кристаллы карбида кремния, электрокорунда, кубического нитрида бора или алмаза, очевидно, что их атомный номер существенно меньше, чем, например, у наиболее широко применяемых металлов, располагающихся в 4-м периоде периодической системы химических элементов (титан, железо, никель) и их сплавов. Увеличение, на котором будут получены изображения, определяется таким образом, чтобы площадь мельчайшей шаржированной частицы была больше разрешения микроскопа.
Для устранения фактора разности энергий электронов, вызванных разновысотностью поверхностного слоя, осуществляется дополнительная обработка изображения, в виде изменения контраста и яркости изображения.
Далее используют программное обеспечение, с функцией построения гистограммы распределения элементов цифрового изображения, позволяющее анализировать растровое изображение. Для оценки степени шаржирования оценивается отношение количества темных (чёрных) пикселей к общему количеству пикселей изображения. Степень шаржирования измеряют по отношению количества тёмных пикселей к общему количеству пикселей изображения:
,
1
2
где S – степень шаржирования, С – общее количество пикселей изображения, С – количество тёмных пикселей
Способ определения степени шаржирования металлических поверхностей абразивными зёрнами из сверхтвердых абразивных материалов характеризуется следующим примером.
После шлифования титанового сплава ВТ1-00 кругом из кубического 1A1 350x127x16x5 CBN30 B126 100% M V полученная поверхность исследуется на электронном микроскопе. Для описания морфологии поверхности используется изображение, полученное в режиме вторичных электронов. Для анализа степени шаржирования используют изображение, полученное в режиме отраженных электронов. Минимальная площадь внедренных частиц составляет 5 мкм, а площадь, передаваемая одним пикселем изображения – 4 мкм, что соответствует увеличению 130х. (484 пикселя – 1 мм, 1921х1211). Тёмные участки поверхности свидетельствует о том, что на поверхности расположены внедренные частицы, состоящие из лёгких элементов. Этими частицами являются продукты износа абразивного инструмента: кубический нитрид бора, электрокорунд, алюмоборсиликатная связка.
Для количественной оценки степени шаржирования изображения, полученные в режиме отраженных электронов, обрабатывали в графическом редакторе GNU Image Manipulation Program 2.10.20. Для этого в растровом изображении обработанной поверхности изменяли контраст и яркость, а именно увеличивали уровень чёрного и экспозиция до максимального уровня. После этого цветовое распределение пикселей разбивают на два цвета – белый и чёрный. Для определения количества чёрных пикселей выделяли левую часть гистограммы, на которой отображаются более темные пиксели. В приведенном примере из 1572864 пикселей чёрными являются 2324.
Таким образом, способ определения степени шаржирования металлических поверхностей абразивными зёрнами из сверхтвердых абразивных материалов включающий получение изображений обработанной поверхности с помощью микроскопа, методом обратно-рассеянных электронов, дополнительную обработку изображения, в виде изменения контраста и яркости изображения, определение количества самых темных (черных) пикселей на растровом изображении посредством программного обеспечения, с последующим расчетом степени шаржирования, позволяет повысить надежность и точность оценки степени шаржирования поверхности при абразивной обработке.