提升磨削燒傷檢測(cè)水平的方法和措施

朱正德

(大眾動(dòng)力總成(上海)有限公司，上海 201807)

1 關(guān)于磨削燒傷

磨削燒傷乃是由于工藝處置失當(dāng)?shù)仍蚨谀ハ骷庸ず蟀l(fā)生在工件表面的一種隱性缺陷。

然而，在如何進(jìn)行磨削燒傷的檢測(cè)與對(duì)燒傷程度評(píng)定的認(rèn)知方面，近期的一次行業(yè)內(nèi)的調(diào)研表明，迄今為止，多數(shù)企業(yè)的認(rèn)識(shí)依然是比較欠缺的。事實(shí)上，大多數(shù)企業(yè)現(xiàn)今仍然選擇最傳統(tǒng)也最簡(jiǎn)單的目視法，用于磨削燒傷的檢測(cè)與對(duì)燒傷程度的評(píng)價(jià)。歸納一下，企業(yè)現(xiàn)今可選擇和采用的方法主要有以下一些：

(1)目視法，也稱觀色法：由于一旦零件表面存在磨削燒傷，就會(huì)形成氧化膜，且氧化膜的顏色(如黃色、褐色、紫色、青色，最嚴(yán)重時(shí)為灰色等)與燒傷的程度相關(guān)。

(2)酸洗法：即根據(jù)被檢工件表面涂上酸液后所呈現(xiàn)顏色深淺的變化，來(lái)作出相應(yīng)的判斷。

(3)金相測(cè)試法：通過實(shí)驗(yàn)室里的精密儀器——金相顯微鏡進(jìn)行金相組織測(cè)試，也是一種磨削燒傷的檢測(cè)手段，且能對(duì)燒傷的程度作出判別。

(4)硬度測(cè)試法：事實(shí)上，很多企業(yè)的圖紙對(duì)這項(xiàng)參數(shù)都有明確的要求，甚至還被分解到不同的功能段。以某型發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪為例，其基圓部分為50-62HRC;桃尖為 56-62HRC;其他部分則不低于40HRC(見圖1)。但對(duì)這項(xiàng)抽檢客觀上所體現(xiàn)的監(jiān)測(cè)磨削燒傷的功能，企業(yè)尚缺乏足夠認(rèn)識(shí)。

圖1 凸輪表面硬度測(cè)試

以上幾種方法中，前二種雖然直觀且簡(jiǎn)單易行，但有著很大的局限性，金相測(cè)試雖然較精確，可必須在實(shí)驗(yàn)室利用專門的儀器，在進(jìn)行檢測(cè)前還需經(jīng)過繁復(fù)的制樣，故不可能成為一種常規(guī)監(jiān)測(cè)方法。顯然，依據(jù)磨削燒傷的成因，真正能確切且定量地反映燒傷程度的參數(shù)是工件表面的硬度和殘余應(yīng)力這二項(xiàng)。但行業(yè)調(diào)研表明，鑒于極大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品圖紙上既未標(biāo)注殘余應(yīng)力這項(xiàng)指標(biāo)，也不具備在實(shí)驗(yàn)室利用X射線衍射的方法進(jìn)行檢測(cè)的能力，而面對(duì)硬度檢測(cè)也會(huì)碰到與金相測(cè)試類似的問題。故隨著對(duì)產(chǎn)品制造質(zhì)量的日趨重視，企業(yè)很期盼有一種能快速、有效地對(duì)磨損燒傷進(jìn)行定量檢測(cè)的新手段。

2 基于Barkhansen原理的磨削燒傷檢測(cè)

傳統(tǒng)檢測(cè)方法的抽檢樣本小，欲對(duì)生產(chǎn)過程作出較確切的評(píng)價(jià)并予以改進(jìn)較為困難。此外，它們只能反映金相組織變化引起的硬度下降，而無(wú)法反映工件表面殘余應(yīng)力，故在全面揭示磨削燒傷的程度上也顯得不足。Barkhansen效應(yīng)即是針對(duì)上述鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)引起磁疇壁運(yùn)動(dòng)，在此過程將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)的一種物理表現(xiàn)。鑒于該信號(hào)乃是以磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)表示的。而在發(fā)生磨削燒傷后的工件表層，其金相組織的變化及可能出現(xiàn)的殘余應(yīng)力會(huì)引起這樣微觀形態(tài)的變化，“磁彈法”正是基于這一機(jī)理研制出的一種測(cè)試方法，通過在“門”形電感線圈施加激磁電壓，所形成的磁場(chǎng)在被測(cè)零件中所產(chǎn)生的效應(yīng)取決于該工件表面磨削燒傷的狀況，而由此在工件周圍所形成的磁場(chǎng)將使測(cè)頭中的感應(yīng)線圈產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，此信號(hào)直接與工件磨削燒傷的程度有關(guān)，并在傳感頭中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。該檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大和濾波等處理環(huán)節(jié)，最后被顯示和輸出。磨削燒傷的物理表現(xiàn)主要為工件表面硬度的下降和可能存在于表面的(殘余)拉應(yīng)力，儀器對(duì)它們都能作出敏感的反映。圖2a中的橫坐標(biāo)表示硬度值HRc，縱坐標(biāo)表示輸出信號(hào)幅值。隨著被檢工件表面硬度HRc由高向低變化，檢測(cè)儀器輸出的相應(yīng)的信號(hào)幅值將由小到大，即硬度低對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)高，硬度高對(duì)應(yīng)的檢 測(cè)信號(hào)低。儀器對(duì)表面殘余應(yīng)力的反應(yīng)見圖2b，從中可見當(dāng)殘余應(yīng)力由小到大，即由負(fù)(壓應(yīng)力)向正(拉應(yīng)力)變化時(shí)，檢測(cè)出的相應(yīng)的信號(hào)幅值將由低向高變化。上述為儀器特殊設(shè)計(jì)的激磁電路和傳感裝置產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)，如圖2中a、b的縱坐標(biāo)所示，乃是磁彈法的一種量化表達(dá)，可以用評(píng)定指標(biāo)、即磨削燒傷特征值mp來(lái)標(biāo)志。mp與被檢測(cè)工件表面的狀態(tài)，如硬度的下降量和形成的殘余應(yīng)力大小成比例，其數(shù)值能在儀器的屏幕上顯示。圖3是一典型檢測(cè)報(bào)告，圖中的曲線反映了實(shí)測(cè)結(jié)果，其縱坐標(biāo)是反映磨削燒傷嚴(yán)重程度的mp值，橫坐標(biāo)表示被測(cè)圖3采用磁彈法原理的儀器檢測(cè)報(bào)告示例工件的即時(shí)測(cè)試位置。兩條曲線表示二個(gè)凸輪的檢測(cè)結(jié)果，而橫坐標(biāo)反映了回轉(zhuǎn)角度，即檢測(cè)的部位。

3 線性回歸分析在儀器特征值定標(biāo)中的應(yīng)用

磁彈法本質(zhì)上屬于比較測(cè)量，故需解決定標(biāo)問題，即在磨削燒傷嚴(yán)重程度表述已量值化的基礎(chǔ)上確定合格的邊界值。否則利用磁彈法就只能區(qū)分工件燒傷的嚴(yán)重程度，而無(wú)法對(duì)其合格與否作出判斷。圖3中，二個(gè)被測(cè)件顯示在60°～70°間的區(qū)域有超差情況，其依據(jù)即是由mp=60這條合格品線決定的界限。雖然儀器廠商根據(jù)實(shí)際情況一般還是建議用戶采用傳統(tǒng)的酸洗法，為此需先準(zhǔn)備一批盡量覆蓋燒傷程度不同的樣品，在積累了一定的測(cè)得結(jié)果后，再按用戶的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其作出不同評(píng)價(jià)，再將介于合格/不合格臨界狀態(tài)的若干工件通過儀器求得相應(yīng)的mp值，然后取其平均值作為合格與否的邊界值。很顯然，這種將定性檢測(cè)結(jié)果經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為定量評(píng)價(jià)的做法客觀上存在著不夠嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確性欠缺的問題。

圖2 磁彈法對(duì)磨削燒傷后硬度及殘余應(yīng)力的反映

圖3 采用磁彈法原理的儀器檢測(cè)報(bào)告示例

為此產(chǎn)生了把線性回歸分析方法用于磨削燒傷特征值定標(biāo)的設(shè)想，為獲得相關(guān)數(shù)據(jù)而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)以某新型小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪為樣本。由于不同于其它類似的套裝式凸輪軸，這時(shí)的熱處理、磨削工序乃是在單個(gè)的凸輪上進(jìn)行的，這為之后的表面硬度、殘余應(yīng)力測(cè)試帶來(lái)了方便，也提高了準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)的第一步是采集樣本數(shù)據(jù)，遵循上述“盡量覆蓋燒傷程度不同的工件”的原則，先選取一批單個(gè)凸輪，然后在執(zhí)行磁彈法原理的儀器上逐個(gè)進(jìn)行測(cè)量，再利用從多楨圖2那般的報(bào)告中所獲得的信息，可以選出若干個(gè)工件及其相應(yīng)的檢測(cè)位置，對(duì)它們做的測(cè)試需既能分別代表不同的磨削燒傷程度、又較易于準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì)上述用于試驗(yàn)的凸輪，圖紙所示表面硬度要求：HV(10)600+200，即要求負(fù)荷為10Kg時(shí)的維氏硬度必須介于600與800之間。至于表面殘余應(yīng)力，近幾年已有少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠增添了這項(xiàng)指標(biāo)，圖紙對(duì)上述凸輪的要求：500≥MPa，即其表面的殘余(拉)應(yīng)力不能大于500毫帕(MPa)。其測(cè)定采用X衍射法，圖4是利用儀器對(duì)凸輪表面殘余應(yīng)力檢測(cè)的實(shí)景。經(jīng)對(duì)所擷取樣本確定位置的測(cè)試，并與之前測(cè)得的mp值一一對(duì)應(yīng)后形成的供實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)匯總見表1。

圖4 X衍射法測(cè)定凸輪表面殘余應(yīng)力示意

回歸分析是通過獨(dú)立收集的n組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析研究隨機(jī)變量(此處為質(zhì)量特征量)與自變量(原因變量)之間的相關(guān)關(guān)系。在實(shí)際中，既存在著只有一個(gè)對(duì)隨機(jī)變量y有影響的自變量x1的情況，也往往會(huì)遇到有二個(gè)、甚至于多個(gè)自變量x1、x2…xi的情況。鑒于多數(shù)國(guó)內(nèi)外主流發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)的實(shí)驗(yàn)室都不配備X衍射儀，但硬度測(cè)試手段則都具備，因此若能夠證明僅利用單一的“硬度”自變量，通過回歸分析方法，也能確認(rèn)所獲得的特征值的定標(biāo)結(jié)果的可靠性，這就將簡(jiǎn)化和擴(kuò)大這種方法的應(yīng)用空間。

首先，對(duì)表1中前二行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相關(guān)關(guān)系驗(yàn)證，并以求得的相關(guān)系數(shù)r判斷兩組變量間線性相關(guān)的程度。相關(guān)系數(shù)r的定義為：兩個(gè)隨機(jī)變量的協(xié)方差與它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差乘積之比值，可根據(jù)有限次測(cè)量所得的數(shù)據(jù)求得其估計(jì)值。按表1中的兩組測(cè)得數(shù)據(jù)，可以利用(德)Q_DAS公司的destra軟件求得相關(guān)系數(shù)r的值，r是一個(gè)絕對(duì)值不大于1的常數(shù)，其大小決定了兩組數(shù)值間線性相關(guān)的程度，在本例中，r=0.9806，表明兩個(gè)變量間呈正強(qiáng)相關(guān)。與此同時(shí)，軟件還會(huì)生成儀器的檢測(cè)信號(hào)mp和工件表面硬度兩者之間的定量關(guān)系表達(dá)式，即一元線性回歸方程：

圖5 散點(diǎn)圖和回歸直線

把凸輪表面硬度名義值HV(10)600作為給定的x10值代入式(3)后即可得隨機(jī)變量y、也就是特征量mp的預(yù)測(cè)值yo。計(jì)算結(jié)果為yo=65.5，從而獲得了工件磨削燒傷的合格/不合格的判別界限值。

如前所述，事實(shí)上對(duì)隨機(jī)變量y、即對(duì)儀器檢測(cè)信號(hào)mp有影響的自變量既有表面硬度x1，還有表面殘余應(yīng)力x2，為此仍利用Q_DAS公司的destra軟件，對(duì)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過多元線性回歸分析來(lái)進(jìn)行磨削燒傷特征值mp的定標(biāo)。由軟件生成的三者之間的定量關(guān)系表達(dá)式，即二元線性回歸方程如下：

按表1的三組數(shù)據(jù)在三維直角坐標(biāo)系中繪制散點(diǎn)圖，則能形象地看到n個(gè)點(diǎn)在一個(gè)平面附近波動(dòng)，而二元線性回歸方程便是對(duì)這個(gè)平面的一種估計(jì)，見圖6。把圖中的回歸平面同時(shí)投射到與底面相垂直的兩相鄰面，所獲得的二條曲線符合之前表述的硬度、殘余應(yīng)力與信號(hào)mp幅值關(guān)系。為了表明在給定的顯著性水平α=0.05上，方程(4)是有意義的，可運(yùn)用t假設(shè)檢驗(yàn)這一判別準(zhǔn)則，對(duì)其做顯著性檢驗(yàn)。查表得t0.025(6－2)=2.776，其中0.025是α/2，而6是數(shù)據(jù)數(shù)量，2是自由度。應(yīng)用destra軟件，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的x1、x2數(shù)據(jù)求得對(duì)應(yīng)的t值，它們分別是42.788和15.218。然后將該值與前面查得的t值相比較，鑒于求得的t值均明顯地大于2.776，表明上述式(5)是有實(shí)際應(yīng)用意義的。于是就可以在給定了自變量x1、x2的值后對(duì)因變量y的值作出預(yù)測(cè)。類似前面的一元線性回歸方程，在代入x1的值x10=600和x2的值x20=500后，可得y的預(yù)測(cè)值：

經(jīng)計(jì)算后可得yo=40.18，即評(píng)定工件磨削燒傷合格與否的界限。此外，還可推測(cè)出在置信概率為95%情況下，特征量mp的預(yù)測(cè)區(qū)間(yo－δ，yo+δ)，為(40.18 ～7.40，40.18+7.40)，即(32.78，47.58)。

4 表面硬度、殘余應(yīng)力兩因素對(duì)磨削燒傷特征量定標(biāo)的影響分析

分別按一元和多元線性回歸方法進(jìn)行特征量mp的定標(biāo)，由于前者只考慮了表面硬度一項(xiàng)，其合格界限值mp1=65.5，較后者還同時(shí)考慮了表面殘余應(yīng)力MPa時(shí)所獲得的界限值mp2=40.18來(lái)得高就完全可以理解。顯然，特征量mp的界限值較高，意味著對(duì)磨削燒傷的要求較低，具體來(lái)說，同一被測(cè)件若在儀器的測(cè)得值mp為50，那該工件就會(huì)在前一種情況被判為合格，而在后者則將認(rèn)為不合格。因此，執(zhí)行較低的界限值mp2會(huì)對(duì)受監(jiān)控的產(chǎn)品制造質(zhì)量更安全。

圖6 散點(diǎn)圖和回歸平面

正常情況下，工件表面、即磨削區(qū)域的殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而其下的次表層、即非磨削區(qū)域則表現(xiàn)為拉應(yīng)力。之所以存在著殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力的隱患，原因主要還是由冷卻不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐傻?。眾所周知，磨削過程中的冷卻有三種型式：①風(fēng)冷;②水基冷卻液;③油基冷卻液。當(dāng)采取第①、③時(shí)，表面將呈現(xiàn)壓應(yīng)力，此時(shí)可能存在著硬度下降的風(fēng)險(xiǎn)。而由于水基的冷卻效果明顯，因此應(yīng)用更普遍。但因采用水基磨削液后冷卻速度快，表面產(chǎn)生的二次淬火馬氏體會(huì)增多，體積縮小，而它的下層則因冷卻緩慢成為硬度較低的回火組織，從而增大了表面產(chǎn)生拉應(yīng)力的傾向。當(dāng)形成的拉應(yīng)力一旦超過了材料的強(qiáng)度極限，表面就會(huì)出現(xiàn)裂紋。然而隨著越來(lái)越多企業(yè)采用 CBN磨削技術(shù)，上述隱患正在減小。CBN磨料硬度和強(qiáng)度更高，切削鋒利且耐磨，具備了優(yōu)化各種磨削參數(shù)的條件。由于明顯地減小了磨削力和磨削熱，從而使工件表面溫度相應(yīng)下降。此外，近年來(lái)一些企業(yè)在磨削加工時(shí)也開始由油基冷卻液逐漸取代水基的，而執(zhí)行干磨工藝的企業(yè)也在增多。因此工件表面磨削燒傷表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力的可能和風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)低于硬度的下降。實(shí)驗(yàn)室對(duì)取自一線工件的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)，見圖7，圖中的縱坐標(biāo)為應(yīng)力(MPa)，橫坐標(biāo)為自表面往下的深度(mm)。由圖可見，工件表面、即磨削區(qū)為壓應(yīng)力，而之下的次表層、即非磨削區(qū)為拉應(yīng)力。圖7顯示的是德國(guó)大眾企業(yè)生產(chǎn)的凸輪軸，采用CBN砂輪進(jìn)行一次性磨削和油基冷卻液。而國(guó)內(nèi)另一家廠的類似產(chǎn)品用的是水基切削液，粗磨選取白剛玉砂輪但精磨則選用CBN砂輪，經(jīng)圖4同品牌的X衍射儀的檢測(cè)，獲得的結(jié)果同圖7相似，工件表面殘余應(yīng)力的實(shí)測(cè)值為一500MPa左右。

圖7 凸輪表面殘余應(yīng)力x衍射法測(cè)試報(bào)告示例

鑒于此，即使現(xiàn)今不少企業(yè)在對(duì)工件表面進(jìn)行磨削燒傷監(jiān)測(cè)時(shí)并未考慮到殘余應(yīng)力這一因素，但只要實(shí)際運(yùn)行的工藝是穩(wěn)定的，并能認(rèn)真履行所制定的其他日常檢測(cè)、監(jiān)控措施，也還是能較有效地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的質(zhì)量目標(biāo)的。再回到前面的二元線性回歸方程(3)，事實(shí)上，工件表面出現(xiàn)500MPa殘余拉應(yīng)力的機(jī)率極小，雖然也難以保證處于某一額定的壓應(yīng)力水平，但至少可確定不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力。故在利用方程(3)做類似前面的磨削燒傷特征量mp預(yù)測(cè)時(shí)，仍然給定自變量x1的值x10=600，但x2則改為x20=0，經(jīng)代入計(jì)算：yo=441.9－0.634*x10，可得圖7凸輪表面殘余應(yīng)力X衍射法測(cè)試報(bào)告示例y的預(yù)測(cè)值yo=61.5，即評(píng)定工件磨削燒傷合格與否的判別界限。若將它與只考慮表面硬度一個(gè)因素，利用一元回歸方程(3)獲得的界限值yo=65.5相比，可以發(fā)現(xiàn)兩者還比較接近，這就進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。實(shí)際上，就是在對(duì)質(zhì)量高度重視、技術(shù)要求的制定十分完善和規(guī)范的德國(guó)大眾汽車公司，只要生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，在其總部實(shí)驗(yàn)室利用X衍射儀對(duì)凸輪軸樣品的抽檢頻次也是較低的，僅為1次/年。從不少案例就能看出，他們所定的判別磨削燒傷合格與否的界限值也都是從實(shí)際出發(fā)來(lái)確定的，圖3就是一張來(lái)自于那兒的檢測(cè)報(bào)告，從中可見其合格品線的界限mp=60。

5 結(jié)論

提高產(chǎn)品質(zhì)量雖是中外企業(yè)的不懈追求，但降低生產(chǎn)成本，包括質(zhì)量成本同樣受到極大關(guān)注。在不放過一個(gè)次品的同時(shí)，企業(yè)也不希望冤枉一個(gè)合格產(chǎn)品。本文在如何看待和處理磨削燒傷判別界限的認(rèn)定這個(gè)具體問題上，通過較全面的考察和分析，提出了一個(gè)兼具準(zhǔn)確可靠又合理可行的實(shí)施方案。

［1］上海市質(zhì)量管理協(xié)會(huì).質(zhì)量體系中的統(tǒng)計(jì)技術(shù)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1997.

［2］許玲.凸輪軸磨削裂紋分析［J］.機(jī)械工程師，2008(10)：124－125.

［3］彭欣健，等.凸輪軸加工中CBN磨削技術(shù)的應(yīng)用和研究［J］.裝備制造技術(shù)，2010(3)：100－102.