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磁彈法：檢查零部件表面磨削燒傷的新方法
磨削燒傷及其常用檢查方法
在機(jī)械類產(chǎn)品中，很多重要零部件如軸承、齒輪、曲軸、凸輪軸、活塞銷和萬(wàn)向節(jié)等，在熱處理之后均需經(jīng)過(guò)磨削加工。相比之下，磨削時(shí)單位切削面積上的功率消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它加工方法，所轉(zhuǎn)化熱量的大部分會(huì)進(jìn)入工件表面，因此容易引起加工面金相組織的變化。在工藝參數(shù)、冷卻方法和磨料狀態(tài)選擇不當(dāng)?shù)那闆r下，工件在磨削過(guò)程中極易出現(xiàn)相當(dāng)深的金相組織變化層(即回火層)，并伴隨出現(xiàn)很大的表面殘余應(yīng)力，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋，這就是所謂的磨削燒傷問(wèn)題。
零部件的表面層燒傷將使產(chǎn)品性能和壽命大幅度地下降，甚至根本不能使用，造成嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。為此，生產(chǎn)企業(yè)一方面通過(guò)執(zhí)行正確、科學(xué)的工藝規(guī)范，減輕和避免出現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象；另一方面，加強(qiáng)對(duì)零部件的檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格工件，并判斷正在進(jìn)行的磨削工藝狀況。
但長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)工件表面磨削燒傷的檢驗(yàn)，除了最簡(jiǎn)單的目測(cè)法外，就是采用已延續(xù)多年的傳統(tǒng)方法——酸洗法，即在被檢零部件表面涂上酸液或?qū)⑵浣胧⒂邪匆?guī)定配制的酸液槽中。之后(或在把工件取出后)，根據(jù)表面呈現(xiàn)的不同顏色，對(duì)磨削燒傷的程度作出相應(yīng)的判斷。一般地說(shuō)，若色澤沒(méi)有變化，就表明情況正常；而當(dāng)顏色變成灰色，則說(shuō)明已有燒傷情況存在，隨著色澤變得越來(lái)越深，表示工件表面因溫度更高，引起的磨削燒傷更為嚴(yán)重。
傳統(tǒng)檢查方法雖然簡(jiǎn)單易行，但有著很大的局限性，主要是工件表面經(jīng)酸液浸蝕，即使為無(wú)問(wèn)題的零部件，也不能再予以使用。傳統(tǒng)方法執(zhí)行的實(shí)際上是一種破壞性檢查。
從以上描述可知，酸洗法本質(zhì)上屬于定性檢查，難以對(duì)磨損燒傷程度做出定量的說(shuō)明。
鑒于上面兩點(diǎn)，采取傳統(tǒng)方法時(shí)，只能采用抽檢的方式，且樣本很小，欲對(duì)所執(zhí)行的工藝過(guò)程作出較確切的評(píng)價(jià)并予以改進(jìn)是很困難的。
理論表明，酸洗法檢驗(yàn)只能反映因金相組織結(jié)構(gòu)變化引起的硬度下降這種情況，對(duì)于工件表面存在的殘余應(yīng)力則無(wú)法反映，放在全面揭示磨削燒傷的程度上顯得不足。
另一方面，由于使用了酸液，企業(yè)增加了消除環(huán)境污染的負(fù)擔(dān)；傳統(tǒng)檢查方法的規(guī)范化可靠性水平較低，更難以制定可操作性強(qiáng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。
一種新穎、高效的磨削燒傷檢測(cè)方法——磁彈法
工作原理
磁彈法即BN法(BarkhansenNoise Method)，是以1919年發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)Barkhansen效應(yīng)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的一種測(cè)試方法，它能有效地對(duì)磨削燒傷進(jìn)行測(cè)試。近年來(lái)，利用磁彈法研制的測(cè)試儀器已在零部件表面磨削燒傷檢測(cè)中逐步得到應(yīng)用，并充分顯現(xiàn)出優(yōu)越性。
(a) (b)
1 BN法檢測(cè)儀器工作原理示意圖
眾所周知，出現(xiàn)磨削燒傷的那些零部件，主要由鐵磁性材料制成。在正常情況下，其磁序(體現(xiàn)在多晶體的磁疇結(jié)構(gòu)里)呈有規(guī)則的排列。但如前所述，磨削燒傷后產(chǎn)生的金相組織變化及可能出現(xiàn)的很大殘余應(yīng)力都將引起磁疇結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁序變化。Barkhansen效應(yīng)指出，矯頑(磁)力，即改變被顛倒極性所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度是與鐵磁性材料晶格結(jié)構(gòu)錯(cuò)位和殘余應(yīng)力等的程度有關(guān)的。利用BN法探測(cè)被檢零部件表面磨削燒傷的機(jī)理就在于此。圖1是在BN法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的檢測(cè)儀器的工作原理示意圖。
圖1a中，“門”形電感線圈形成的磁場(chǎng)在被測(cè)鋼件中所產(chǎn)生的效應(yīng)取決于工件表面磨削燒傷的實(shí)際狀況，而由此在工件周圍所形成的磁場(chǎng)又會(huì)使測(cè)頭在測(cè)試區(qū)域的感應(yīng)線圈中產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，而這一信號(hào)直接與工件磨削燒傷的程度有關(guān)。圖1b是據(jù)此研制的測(cè)試儀器的組成框圖，箭頭反映了整個(gè)工作過(guò)程：由電感線圈引起相應(yīng)的作用磁場(chǎng)，通過(guò)被檢工件，進(jìn)而在傳感頭中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)(稱為B信號(hào))，該B信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和濾波等處理環(huán)節(jié)，最后被顯示和輸出。
(a)幅值－硬度圖 b)幅值－應(yīng)力圖
圖2 BN法檢測(cè)儀器能夠敏感反映出磨削燒傷的硬度及殘余應(yīng)力變化
磨削燒傷的物理表現(xiàn)主要是因表面金相組織結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生回火層所引起的硬度下降，以及在表面出現(xiàn)的殘余應(yīng)力(拉應(yīng)力)。圖1所示的檢測(cè)儀器對(duì)它們都能作出敏感的反映(見(jiàn)圖2)。圖2a中的橫坐標(biāo)表示硬度值Rc，而縱坐標(biāo)表示輸出的B信號(hào)幅值。隨著被檢工件表面硬度值Rc由高向低變化，檢測(cè)儀器輸出的相應(yīng)B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(jiàn)圖2b，從中可見(jiàn)，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)儀器輸出的相應(yīng)B信號(hào)幅值將由低向高變化。
評(píng)定特征值mp及其定標(biāo)
上述由儀器特殊設(shè)計(jì)的激磁電路和傳感裝置產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)，乃是Barkhansen磁彈法效應(yīng)的一種量化表達(dá)，以特征值mn(magnetoelastic parameter)標(biāo)志。mp與被檢測(cè)工件表面的變異狀態(tài)，如殘余應(yīng)力成比例，其數(shù)值能在儀器的屏幕上顯示、輸出。但利用mp來(lái)反映工件磨削燒傷的程度從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種比較測(cè)量的方式，為了能夠真正地對(duì)其做準(zhǔn)確的定量描述，還必須解決“定標(biāo)”的問(wèn)題。定標(biāo)包括二項(xiàng)內(nèi)容：①確定不合格品的界限。有目的地制作一批樣品，其中包括有一些磨削燒傷程度不同的工件，利用酸洗法按用戶的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)它們作出不同的判斷后，將介于合格／不合格臨界狀態(tài)的若干工件通過(guò)儀器求得相應(yīng)的mp值，然后取其平均值作為不合格的界限；②進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)就是找出特征值mp與采用酸洗法確認(rèn)的磨削燒傷程度之間的相關(guān)性。具體來(lái)說(shuō)，就是需確定一個(gè)相關(guān)系數(shù)MAGN，并利用儀器控制面板上的撥盤予以設(shè)置，MGAN值的范圍從0到99，一般尾數(shù)取5或0。為此，可在前面的樣品中找二根表面狀態(tài)差異較大的工件，選定工件上的某一位置，在檢測(cè)儀器上的MGAN取值間隔為5或10時(shí)，以靜態(tài)方法讀出二組對(duì)應(yīng)的mp值，如 MGAN為30時(shí)，在二個(gè)工件上測(cè)出2個(gè)mp值，在MGAN為40時(shí)又得到2個(gè)，直到MGAN=90。兩兩相減后必然能得到一個(gè)最大值，以這時(shí)的MGAN值作為相關(guān)系數(shù)，在面板上予以設(shè)置。
注意：在實(shí)際執(zhí)行“定標(biāo)”時(shí)，也可先利用第一項(xiàng)中的樣件求得相關(guān)系數(shù)MGAN，然后再找出不合格品界限。否則，在前一項(xiàng)操作中，會(huì)由于任意設(shè)置的MGAN(一般取50或60)給界限值帶來(lái)一些偏差。
應(yīng)用實(shí)例
盡管在汽車行業(yè)中，不少場(chǎng)合都可以采用這種以BN法為基礎(chǔ)研制的磨削燒傷測(cè)試儀器，但相比之下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸中各擋凸輪的檢測(cè)是用的最多的。這一方面是因凸輪乃承重件，工作條件差；另一方面是由于凸輪圓周方向不同曲率半徑的特點(diǎn)可能會(huì)造成磨削過(guò)程中表面狀態(tài)的差異，在這種情況下，出現(xiàn)磨削燒傷的機(jī)率會(huì)增大。
1.機(jī)體 2.傳感器和交臂 3.驅(qū)動(dòng)頂尖 4.死頂尖(尾架) 5.軸向定位器 6.尾架手柄 7.軸向定位器固定捏手 8.導(dǎo)向銷 9.限位螺絲 10.停止擋塊
圖3 BN法磨削燒傷測(cè)試儀器示意圖
圖3為該儀器示意圖，它是一種高效率半自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，很適合于在批量生產(chǎn)條件下的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠、內(nèi)燃機(jī)廠使用。首先，針對(duì)不同的凸輪軸，需配備一根精確加工的軸向定位器，其縱向開(kāi)有一排缺口，每個(gè)缺口對(duì)應(yīng)一個(gè)被檢凸輪。在開(kāi)始測(cè)量前，必須仔細(xì)調(diào)整其在機(jī)體上的位置，在確保傳感器支臂嵌入任一缺口時(shí)，測(cè)頭正好對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)凸輪，此時(shí)就可以利用帶捏手的螺釘，把軸向定位器固定在機(jī)體上。操作者在啟動(dòng)設(shè)備后，被測(cè)工件即在驅(qū)動(dòng)頂尖帶動(dòng)下開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，操作者只要簡(jiǎn)單地提起傳感器支臂上的手柄，使傳感器沿著機(jī)身上的一圓柱導(dǎo)軌移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)第一個(gè)被檢凸輪時(shí)，輕輕地放入手柄。在手柄嵌入定位器缺口的同時(shí)，測(cè)頭在測(cè)力彈簧作用下壓在凸輪表面，隨著工件的回轉(zhuǎn)實(shí)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)。期間，連續(xù)輸出的BN信號(hào)會(huì)在設(shè)備一側(cè)的控制柜顯示屏上以曲線形式呈現(xiàn)。當(dāng)完成一周的測(cè)試后，操作者再次提起傳感器支臂上的手柄，使測(cè)頭脫離第一個(gè)被檢凸輪，移動(dòng)至下一個(gè)進(jìn)行測(cè)量，直到全部凸輪測(cè)畢，返回起點(diǎn)。
盡管只是一臺(tái)半自動(dòng)設(shè)備，但操作便捷，效率很高，檢查一個(gè)工件，如一根四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸，包括裝卸也不到2分鐘。
目前，以磁彈法原理為基礎(chǔ)研制的這類新型磨削燒傷檢測(cè)儀器已經(jīng)產(chǎn)品化，在很多行業(yè)得到了成功的應(yīng)用。針對(duì)不同被測(cè)工件的特征和各個(gè)用戶的需要，這類新型檢測(cè)儀器可設(shè)計(jì)、制造成不同的型式，有逐點(diǎn)測(cè)量的靜態(tài)方式，也有上述那種連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量方式。至于儀器能探測(cè)的深度，取決于實(shí)際被檢工件材料的導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及所確定的激磁頻率。儀器都配兩種激磁頻率，3-15kHz和70～200kHz。按磁彈法原理研制的這類新型儀器的檢查深度一般范圍為0.01～1.5mm，但通常工件表面磨削燒傷發(fā)生的深度是0.02～0.2mm。
國(guó)內(nèi)在這方面雖剛剛起步，但已經(jīng)采用的場(chǎng)合除了上述汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的凸輪軸外，還有軸承行業(yè)中的套圈，顯示了相當(dāng)廣闊的前景。
本文作者:大眾動(dòng)力總成(上海)有限公司 朱正德
原載:《工具展望》2006年第1期/《中國(guó)機(jī)械與金屬》2006年3月號(hào)
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