基于磨削深度對(duì)凸輪軸磨削燒傷影響的研究

廖禮鵬 ，彭錦華

（1.湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412000；2.湖南有色金屬工業(yè)技工學(xué)校，湖南株洲 412000）

0 引言

磨削加工時(shí)產(chǎn)生的熱使得所加工的工件表層金相結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，表面層的硬度發(fā)生改變，影響到工件的使用性能，同時(shí)磨削加工后工件表面呈現(xiàn)出不同顏色的氧化膜，這種現(xiàn)象稱為磨削燒傷。磨削燒傷的根本原因是工件表面材料由于溫度過高導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，磨削時(shí)磨削區(qū)域的溫度可達(dá)到（100～1000）℃，可見磨削燒傷和磨削溫度的關(guān)系緊密相連，因此，研究磨削燒傷有助于進(jìn)一步完善磨削溫度的研究。針對(duì)干磨條件下不同磨削深度對(duì)凸輪軸磨削燒傷影響的實(shí)驗(yàn)研究，將磨削深度為0.001mm、0.003mm，0.005mm，0.01mm和0.15mm時(shí)加工好的凸輪軸上的凸輪片用超景深顯微鏡和觀色法進(jìn)行磨削燒傷影響的實(shí)驗(yàn)研究。

1 凸輪軸

凸輪軸的應(yīng)用非常廣泛，是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一。由一根圓柱形棒體、若干組凸輪組成。它根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的工作順序、配氣正時(shí)和升程規(guī)律來驅(qū)動(dòng)氣門及時(shí)開啟和關(guān)閉。凸輪軸輪廓形面由基圓段、緩沖端、加（減）速度、頂端等組成。

2 實(shí)驗(yàn)方案

為了找出干磨時(shí)凸輪軸磨削產(chǎn)生磨削燒傷的指導(dǎo)磨削深度及磨削深度對(duì)磨削燒傷影響的規(guī)律，選擇砂輪線速度為120m/s、工件轉(zhuǎn)速為90r/min，對(duì)所選5個(gè)磨削深度（0.001mm，0.003mm，0.005mm，0.01mm和0.015mm）分別進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)的燒傷檢測(cè)，用編號(hào)為1#～5#的凸輪軸完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后再統(tǒng)一進(jìn)行磨削表面燒傷檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 磨削深度對(duì)磨削溫度影響單因素實(shí)驗(yàn)方案

3 磨削燒傷的檢測(cè)方法

磨削燒傷問題是由于磨削的工藝特點(diǎn)本身所決定的。在工藝參數(shù)、冷卻的方式和磨料狀態(tài)等選擇不得當(dāng)時(shí)，對(duì)于大多數(shù)含鐵材料而言，極容易出現(xiàn)相當(dāng)深的金相組織的變化層（回火層），嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)裂紋，這就是磨削燒傷。磨削燒傷是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象，它的表現(xiàn)形式也是多種多樣的。磨削燒傷的檢測(cè)方法較多，目前常用的檢測(cè)磨削燒傷判別的方法有表面顏色檢測(cè)法判斷、顯微判別檢測(cè)法判斷、金相判別檢測(cè)法判斷、酸洗檢測(cè)法判斷、成分分析檢測(cè)法判斷、渦流檢測(cè)法判斷和巴克豪森噪聲檢測(cè)法判斷。

3.1 觀色法

這種方法也稱目視法，磨削燒傷時(shí)零件表面存在氧化膜，氧化膜的顏色、厚度同燒傷程度對(duì)應(yīng)。隨著磨削熱而引起零件溫度升高，鑄鐵和鋼表面氧化膜的顏色有黃色、褐色、紫色、青色、燒傷最嚴(yán)重時(shí)為灰色。通過觀察、識(shí)別工件磨削表面的顏色，就可以做出大致的燒傷程度的判斷。這是方法雖然簡(jiǎn)單，但需要輔助其他燒傷檢測(cè)方法增加其精確性。

3.2 顯微硬度檢測(cè)法

觀察顯微硬度在磨削變質(zhì)層內(nèi)垂直磨削表面的深度變化辨別燒傷。該檢測(cè)方法要制作專門的試樣，生產(chǎn)使用中不方便。

3.3 金相判別法

通過光學(xué)或電子顯微鏡觀察工件表面層金相電鏡圖的變化判別燒傷。以燒傷本質(zhì)作為判別標(biāo)準(zhǔn)，該檢測(cè)方法理論上說是有保障的，但試樣制作起來麻煩，生產(chǎn)中使用時(shí)不太方便。

3.4 酸洗法

在不同的情況下，根據(jù)特有電鏡圖的耐腐蝕性獨(dú)特性，酸洗后表現(xiàn)的顏色也會(huì)呈現(xiàn)不同，因而可以用來識(shí)別有沒有燒傷。此檢測(cè)法檢測(cè)有沒有裂紋的特征是黑色條紋或當(dāng)中黑、邊緣光亮。該法是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的檢測(cè)軸承制造中磨削燒傷檢測(cè)判別方法。該方法檢測(cè)燒傷時(shí)，準(zhǔn)確性高于通過表面觀察顏色法。缺點(diǎn)是經(jīng)過酸洗后的零件破壞了零件表層組織不能再使用。

3.5 成分分析法

如果發(fā)生磨削燒傷，在加工完的工件表面上就會(huì)形成一層氧化膜，它表面的化學(xué)成分與基體金屬相對(duì)比，發(fā)生了一系列的變化。通過檢測(cè)確定工件的表面層的氧化情況以及氧化膜厚度，這種方法是一種比較準(zhǔn)確的磨削燒傷判別方法。

3.6 渦流檢測(cè)法

該方法通過測(cè)定檢測(cè)線圈阻抗的變化，測(cè)試試件的性能及有無缺陷。由于渦流檢測(cè)燒傷是一項(xiàng)綜合判斷技術(shù)，因此單因素判斷是有困難的，必須應(yīng)用多頻法。該方法目前還不太成熟，有可能發(fā)展為一種實(shí)用的燒傷檢測(cè)方法。

3.7 巴克豪森噪聲檢測(cè)法

這是一種利用外加磁場(chǎng)作用，改變磁疇其作用方向，通過傳感器來磁通階躍的檢測(cè)方法。該檢測(cè)方法受被測(cè)區(qū)的應(yīng)力、材料組織狀態(tài)、塑性、變形、硬度、晶粒取向等有關(guān)因素的影響，在檢測(cè)燒傷發(fā)生時(shí)，影響檢測(cè)結(jié)果。

3.8 超景深顯微鏡

本次磨削燒傷的研究除了利用觀色法外，還采用了VHX-500FE超景深三維顯微鏡進(jìn)行凸輪軸的高速磨削燒傷研究。該設(shè)備由日本KEYENCE公司開發(fā)研究，無需拆卸、切斷工件，只需將工件放在試樣臺(tái)上，就能方便地對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)；同時(shí)通過旋轉(zhuǎn)調(diào)焦旋鈕，就能獲得較高質(zhì)量的3D圖像。此設(shè)備能夠滿足凸輪軸磨削燒傷的檢測(cè)要求。本次實(shí)驗(yàn)的磨削燒傷檢測(cè)是采用觀色法和超景深顯微鏡檢測(cè)磨削燒傷。

4 磨削深度對(duì)磨削溫度影響的單因素實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素磨削實(shí)驗(yàn)方案中的實(shí)際情況結(jié)合等差法，分別選取磨削深度 0.001mm，0.003mm，0.005mm，0.01mm，0.015mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其他因素不變，將所測(cè)得到的工件表面最高磨削溫度進(jìn)行整理，得到磨削深度與工件表面磨削溫度的關(guān)系（表2）。表2數(shù)據(jù)表明，隨著磨削深度的增大，磨削溫度也隨之升高。

表2 磨削深度與工件表面磨削溫度的關(guān)系

5 磨削深度對(duì)凸輪軸磨削燒傷的影響

在砂輪線速度120m/s，磨削深度0.001mm，工件轉(zhuǎn)速90 r/min時(shí)工件磨削表面超景深顯微鏡觀測(cè)圖，沒有燒傷痕跡；在砂輪線速度120m/s，磨削深度0.003mm，工件轉(zhuǎn)速90r/min時(shí)工件磨削表面超景深顯微鏡觀測(cè)圖，此時(shí)放大倍數(shù)為200倍，可以看到磨削后的凸輪工件表面呈淡淡的黃色，以及細(xì)細(xì)的裂紋，說明已經(jīng)存在磨削燒傷；在砂輪線速度120m/s，磨削深度0.005mm，工件轉(zhuǎn)速90r/min時(shí)工件磨削表面超景深顯微鏡觀測(cè)圖，此時(shí)放大倍數(shù)為200倍，可以看到磨削后的凸輪工件表面的黃色增多，以及裂紋增多變大，和磨削深度為0.003mm相比，磨削燒傷程度增大；在砂輪線速度120m/s，磨削深度0.01mm，工件轉(zhuǎn)速90r/min時(shí)工件磨削表面超景深顯微鏡觀測(cè)圖，此時(shí)放大倍數(shù)為50倍，可以看到磨削后的凸輪工件表面呈青色，及粗大裂紋，和磨削深度為0.005mm相比，磨削燒傷程度增大；在砂輪線速度120m/s，磨削深度0.015mm，工件轉(zhuǎn)速90r/min時(shí)工件磨削表面超景深顯微鏡觀測(cè)圖，此時(shí)放大倍數(shù)為20倍，可以看到磨削后的凸輪工件表面呈青灰色，以及粗大裂紋，和磨削深度0.01mm相比，磨削燒傷程度明顯增大。

6 結(jié)論

從以上的分析可以得出，凸輪軸表面的磨削溫度越高，燒傷越嚴(yán)重，且在磨削深度0.015mm時(shí)磨削溫度最高，燒傷也最嚴(yán)重。因此，可以得出結(jié)論：在其他磨削參數(shù)不變的情況下，磨削深度的不斷增大，凸輪軸表面的燒傷程度也隨著增大。這是因?yàn)槟ハ魃疃鹊脑龃髮?dǎo)致磨削熱的增多，而磨削熱的增多導(dǎo)致了磨削溫度的上升。

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