| 提升磨削燒傷檢測水平的方法和措施 A獎 | ||||||||||||||||||||||||||||
| 來源：上海大眾動力總成有限公司朱正德 | ||||||||||||||||||||||||||||
摘要：本文指出，鑒于磨削燒傷傳統測試方法存在的局限性，近年來，一種根據物理學Barkhansen原理研制的“磁彈法”檢測儀已在一些企業獲得了應用。文章闡述了基于線性回歸方法，通過磨削燒傷特征值的定標提升儀器應用水平的過程，并從實際情況出發，提出了一個兼具準確可靠又合理可行的實施方案。 關鍵詞：磨削燒傷 Barkhansen原理 質量特征值 檢測與定標 線性回歸分析 什么是磨削燒傷？磨削燒傷是工件在磨削加工后出現的一種不良現象，但其本質上屬于發生在工件表面的一種隱性缺陷，乃是由于工藝處置失當等原因，導致了在很高的磨削溫度的作用下因工件表層金相組織的改變所造成的。由此而產生的殘余應力和硬度的變化將會影響零件的使用性能，并伴隨著在工件表面呈現出不同顏色的氧化膜等現象。
磨削燒傷大多數發生于旋轉類零件，如汽車與發動機中的轉向節、傳動軸、閥桿、泵、凸輪軸、曲軸、氣門等，以及軸承、齒輪等通用類零件。這些零件大多使用在交變載荷的工作環境下，對工件的表面質量有很高的要求。就以發動機中的凸輪軸為例，其工作（凸輪）表面硬度的下降會直接影響凸輪軸的使用性能；而若經磨削后的工件表層存在較大的殘余（拉）應力，雖然在它的幅值小于材料的強度極*并不會致使表面開裂，形成所謂的磨削裂紋，但在交變載荷作用下，這一隱患很容易擴大，從出現在表面的少數細紋發展為網狀裂紋的擴張以至于相互連接，zui終造成工件表面的剝落，從而使凸輪軸失去功能，直接危及運行中的發動機。 1.2磨削燒傷的檢測與評定 在大多數批量生產企業，如汽車行業中的動力總成廠、零部件廠等，“磨削燒傷”一詞不但為管理人員、技術人員耳熟能詳，其對產品可能造成的影響和危害也不乏了解。然而，在如何進行磨削燒傷的檢測與對燒傷程度評定的認知方面，近期的一次行業內的調研表明，迄今為止，多數企業的認識依然是比較欠缺的。其一是很多發動機凸輪軸、曲軸一類零件的生產廠，往往把在現場對呈現在零件表面的細微裂紋這一顯性缺陷進行的探測即認作是針對磨削燒傷的檢測；其二，事實上，大多數企業現今仍然選擇zui傳統也zui簡單的目視法，有時也稱觀色法，用于磨削燒傷的檢測與對燒傷程度的評價。至于多年前就為眾人熟知的酸洗法，除個別工廠外已很少再有應用。歸納一下，可選擇和采用的方法有以下一些：
以上幾種方法中，前二種雖然直觀且簡單易行，但有著很大的局限性，主要是兩者均屬于定性檢查，無法對燒傷程度做出定量說明，更難以較地確定一個界限，用以對工件作出合格與否的區分。而在應用酸洗法時，工件表面經酸液浸蝕，即使為無問題的零件，之后也不能再加以使用，實際上執行的是一種破壞性檢查，還會給企業帶來一些必須處理的環保問題。金相測試雖然較，可必須在實驗室利用專門的儀器，在進行檢測前還需經過繁復的制樣，故不可能成為一種常規監測方法。
2，基于Barkhansen原理的磨削燒傷檢測 2.1 基于Barkhansen原理的“磁彈法” 傳統檢測方法的抽檢樣本小，欲對生產過程作出較確切的評價并予以改圖2鐵磁材料的磁疇結構
軸類零件主要由鐵磁性材料制成，磁疇是其內部眾多的包含大量原子的小區域（見圖2 ），這些原子的磁矩似小磁鐵般整齊排列，但相鄰區 產生相應信號的一種物理表現。鑒于該信號乃是以磁場強度----在此處稱為矯頑力----來表示的，且與磁疇結構內磁序變化的狀態相關。而在發生磨削燒傷后的工件表層，其金相組織的變化及可能出現的殘余應力會引起這樣微觀形態的變化。“磁彈法”正是基于這一機理研制出的一種測試方法，圖3是據此開發的檢測儀器的原理示意：“門”形電感線圈被施加激磁電壓，所形成的磁場在被測零件中所產生的效應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將使測頭中的感應線圈產生相對應的電信號，此信號直接與工件磨削燒傷的程度有關，并在傳感頭中產生對應的檢測信號。該檢測信號經放大和濾波等處理環節，zui后被顯示和輸出。 磨削燒傷的物理表現主要為工件表面硬度的下降和可 a b能存在于表面的（殘余）拉應力，圖3所示的檢測儀器對圖4 磁彈法對磨削燒傷后硬度及殘余應力的反映它們都能作出敏感的反映。圖4a中的橫坐標表示硬度值 HRc，而縱坐標表示輸出信號幅值。隨著被檢工件表面 2.2 評定特征值mp及儀器增益的確定 上述為儀器特殊設計的激磁電路和傳感裝置產生的檢測信號，如圖5中a、b的縱坐標所示，乃是磁彈法的一種量化表達，可以用評定指標、即特征值mp來標志。mp與被檢測工件表面的變異狀態，如硬度的下降量和形成的殘余應力大小成比例，其數值能在儀器的屏幕上顯示、輸出。在將該儀器用于測試之前必圖5 采用磁彈法原理的儀器檢測結果（報告）示例 須先設定增益水平，也就是找出特征值mp與所確認的磨削燒傷程度之間的相關性。具體來說，就是需確定一個相關系數MAGN，并利用儀器控制面板上的撥盤予以設置。為此，可從樣品中找二根表面狀態差異較大的工件，選定工件上的某一位置，以靜態方法讀出二組對應的mp值，如MGAN為30時在二個工件上測出2個mp值，為40時又得到2個，直到MGAN=90。兩兩相減后必然能得到一個zui大值，以這時的MGAN值作為相關系數，在面板上予以設置。圖5是儀器輸出的一個典型的報告，圖中的曲線清晰地反映了實測結果。坐標系的縱坐標是描述工件磨削燒傷程度的mp值，橫坐標表示所測工件（凸輪軸）的位置。兩條曲線表示二個凸輪的檢測結果，而橫坐標反映了回轉角度，即檢測的部位。 3，線性回歸分析在儀器特征值定標中的應用 3.1關于定標 顯然，磁彈法及其相應的特征值本質上屬于比較測量，為了能真正對磨削燒傷進行有效監控，就必須解決定標問題。所謂“定標”，指的是在磨削燒傷嚴重程度表述已量值化的基礎上，通過科學、合理的方法準確地確定合格/不合格的邊界值。無疑，若不解決此問題，面對一批被測工件，利用磁彈法就只能正確地區分它們磨削燒傷的嚴重程度，而無法對其合格與否作出判斷。圖5中，二被測件顯示在在60º~70º間的區域有超差情況，其依據即是mp=60這條合格品線的界限，那這一界限又是如何確定的呢？ 目前，根據磁彈法原理研制的檢測儀器已產品化，但該儀器的供貨廠商在向用戶說明上述問題的處理方法時，還是建議采用傳統的酸洗法。為此，之前需先準備一批樣品，盡量覆蓋磨削燒傷程度不同的工件。在積累了一定樣本的測得結果后，再按用戶的評定標準對其作出不同評價，將介于合格/不合格臨界狀態的若干工件通過儀器求得相應的mp值，然后取其平均值作為合格/不合格的邊界值。很顯然，這種將定性檢測結果經處理轉換為定量評價的做法存在著不夠嚴謹、準確性欠缺的問題，但相對而言，在業界現有條件下，這也確實還是一種既為企業比較熟悉，也在技術上較易于實現的途徑。 3.2 實驗數據的獲取
實驗以某新型小排量汽油發動機的凸輪為樣本，由于*不同于其它類似的組合（套裝）式凸輪軸，這時的熱處理、磨削工序乃是在單個的凸輪上進行的，因此為之后的表面硬度、殘余應力測試帶來了方便，也有利于提高檢測的準確性。但實驗的*步還是采集樣本，而操作也同樣遵循上述的“盡量覆蓋磨削燒傷程度不同的工件”的原則，具體做法是先選取一批單個凸輪，然后在圖6所示的執行磁彈法原理的儀器上逐個進行測量，再利用從多楨圖5那般的報告中所獲得圖6利用磁彈法原理的檢測儀
現今不少企業對重要零件的關鍵部位都有硬度要求，前述單個凸輪的表面硬度，相應圖紙上的規定為：HV（10）600 + 200，圖7 X衍射法測定凸輪表面殘余應力示意即要求負荷為10Kg時的維氏硬度必須介于600與800之間。至于表面殘余應力，迄今只有極少數主流發動機廠在近幾年才把這項指標增加了上去，圖紙對上述凸輪的要求為：500≥MPa，即其表面的殘余（拉應力）不能大于500毫帕（MPa）。殘余應力的測定均采用X衍射法，而按此原理所研制的儀器也已產品化，圖7是利用其中的一種對凸輪表面殘余應力檢測的實景。經對所擷取樣本確定位置的測試，并與之前測得的mp值一一對應后形成的供實驗的數據匯總見表1。 表1
3.3 線性回歸分析在特征值定標中的應用 回歸分析是一種統計技術，乃是通過獨立收集的n組實驗數據，分析研究關鍵質量特征值與原因變量之間的相關關系。在實際中，既存在著只有一個對隨機變量y有影響的自變量（原因變量）x1的情況，也往往會遇到有二個、甚至于多個自變量x1、x2….xi的情況。注意，此處的質量特征量即為隨機變量y。 3.3.1 一元線性回歸在特征值定標中的應用 鑒于極大多數發動機廠的實驗室都不配備X衍射儀，就是國外主流發動機企業也如此，象那些德國大眾汽車公司本土的發動機工廠，若有軸類零件殘余應力的測試需求，都是送往位于狼堡的大眾集團總部中心實驗室。需指出的一點是，雖然在圖紙上對表面殘余應力已有明確的規定，只要工藝處于比較穩定的狀態，正常情況下每個型號的檢測頻次也就保持在1次\年。但硬度測試手段則不同，一般實驗室里都具備，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，也能確認所獲得的特征值的定標結果的可靠性和可（利）用性，這就將簡化和擴大這種方法的應用空間。 首先，對表1中前二行實驗數據進行線性相關關系驗證，并以求得的相關系數r判斷兩組變量間線性相關的程度。相關系數r的定義為：兩個隨機變量的協方差與它們的標準偏差乘積之比值，若根據有限次測量所得的數據求得其估計值，則r可通過下式求得：
利用Q_DAS公司的destra軟件，能迅速地按表1的兩組測得數據得出相關系數r的值，r是一個值不大于1的常數，其大小決定了兩組數值間線性相關的程度，在本例中，r=0.9806。當r=0時，稱兩組數據*不相關，而r=0.9806表明兩個變量間呈正強相關。與此同時，destra軟件還會生成儀器的檢測信號mp和工件表面硬度HV兩者之間的定量關系表達式，即一元線性回歸方程：圖8散點圖和回歸直線 y = 326.55一0.4248*x1（2） 若按表1的兩組數據在直角坐標系中繪制散點圖，則能形象地看到n個點在一條直線附近波動，而一元線性回歸方程便是對這條直線的一種估計，見圖8。把圖8與之前的圖4a予以對比，可清楚地看出兩者是*一致的。 對于所求出的一元線性回歸方程，還需對其顯著性進行檢驗。首先需查出對應于給定顯著性水平α的相關系數的臨界值，再通過與上述已求得的相關系數r的值進行比較來作出判斷。對于α=0.05的顯著水平，查檢驗相關系數臨界值 表，可得：t 這就表明該回歸方程顯著，故有實際應用意義。在求得了一個有意義的線性回歸方程后，就可以將其用于預測，即在給定了自變量x1的值后對因變量y的值作出斷言。由于在多數情況下，y是隨機變量，因此無法給出其在每次試驗中的實際取值。如果給定x1的值為x1o，那么y的預測值就為： yo= 326.55一0.4348*x1o （3） 之前已悉，給定的x1o值為凸輪表面硬度名義值HV（10）600，將它代入式（3）后即可得隨機變量 y、也就是特征量mp的預測值yo。計算結果為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。與此同時，還可推測在置信概率為95%下特征量mp的預測區間。 設δ為因變量y預測區間的單邊寬度，其值可表達為： δ= σ.t 中t 3.3.2 多元線性回歸在特征值定標中的應用 如前所述，事實上對隨機變量y、即對儀器檢測信號mp有影響的自變量既有表面硬度x1，還有表面殘余應力x2，為此仍利用Q_DAS公司的destra軟件，通過對表1中的實驗數據的多元線性回歸分析來進行磨削燒傷特征值mp的定標。由軟件生成的三者之間的定量關系表達式，即二元線性回歸方程如下：
按表1的三組數據在三維直角坐標系中繪制散點圖，則能形象地看到n個點在一個平面附近波動，而二元線性回歸方程便是對這個平面的一種估計，見圖9。把圖中的回歸平面同時投射到與底面相垂直的兩相鄰面，把所獲得的二條分別反映硬度、殘余應力與信號mp幅值的關系曲線同之前的圖4a和圖4b予以對比，可清楚地看出兩者是*一致的。 為了表明在給定的顯著性水平α=0.05上，上述二元線性回歸方程是有意義的，可利用destra軟件的功能對其作顯著性檢驗。判別準則是進圖9散點圖和回歸平面 行t假設檢驗。具體做法是先查表得t0.025（6-2）=2.776，其中0.025是α/2，而6是數據數量，2是自由度。應用destra軟件，可依據實驗所得到的x1、x2數據求得對應的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 ，因此通過了顯著性檢驗，表明上述式（5）是有實際應用意義的。這樣就可以將其用于預測，即在給定了自變量x1、x2的值后對因變量y的值作出預測。類似前面的一元線性回歸方程，在同時給定x1的值x1o= 600和x2的值x20= 500后，就能得到y的預測值： yo = 441.9一0.634*x1o一0.0437*x20（6） 經計算后可得yo=40.18，即評定工件磨削燒傷合格與否的判別界限。此外，還可推測出在置信概率為 95%情況下，特征量mp的預測區間（yo一δ，yo+δ）。為此，既可以沿用之前所采取的計算方法來得到預測區間δ的值，也可以直接藉助相應的計算機軟件destra獲得：δ=7.40。zui后可得到在硬度值HV（10）= 600，表面殘余應力MPa = 500，磨削燒傷特征量mp=40.18時的預測區間為（40.18 —7.40，40.18+7.40），即（32.78，47.58）。
面對基于一元和多元線性回歸方法求得的特征量mp的定標結果，該如何認識兩者之間存在著的差別和對待所獲得的工件磨削燒傷合格與否的判別界限呢？相比之下，由于前者只考察了一個與磨削燒傷特征值相關的自變量——表面硬度HV（10），故而，其判別合格與否的界限值mp1= 65.5，較后者還同時考慮了表面殘余應力MPa時所獲得的對應界限值mp2=40.18來得高就*可以理解。因為特征量mp的界限值較高，意味著對磨削燒傷的要求較低，具體來說，同一被測件若在圖6所示檢測儀的測值mp為50，那該工件就會在前一種情況被判為合格，而在后者則將認為不合格。無疑，那是把圖紙上涉及磨削燒傷的兩項要求都予以考慮的緣故，因此，執行較低的界限值mp2會對受監控的產品制造質量更安全。然而，如前所述，極大多數企業既未明確提出殘余應力這項指標，也不具備利用X射線衍射儀對其檢測的能力，那么在這種情況下，利用較易取得的判別界限值mp1是否還有實用意義呢？在考察了工件磨削面的金相組織，以及現今企業執行的工藝和相應的實驗室測試結果之后，就可以得出一個明確、肯定的結論。
而增大了工件表面產生殘余拉應力的傾向。當形成的拉應力一旦超過了材料的強度極限，表面就會出現裂紋。 然而隨著越來越多企業在凸輪軸、曲軸等零件的加工中采用CBN磨削技術，上述隱患正在不斷減小。CBN磨料與其它磨料相比，有著更高的硬度和強度，切削鋒利且耐磨，因而具備了優化各種磨削參數的條件。如大大提升了砂輪線速度后，不但提高了磨削效率，還可明顯地降低磨削力，隨之磨削熱也減小了，從而工件表面的溫度必然會相應下降。另一方面，自本世紀初起，一些主流發動機企業在進行軸類零件的磨削加工時已出現了由油基冷卻液逐漸取代水基冷卻液的趨勢，而執行干磨工藝的企業也在增多。這一切都表明，相比之下工件表面磨削燒傷表現為風險遠低于硬度的下降。實驗室對取自生產線的工件樣品的測試結果驗證了這一點，參見圖10，圖中的縱坐標為應力（MPa），橫坐標為自工件表面往下的深度（mm）。由圖可見，工件表面、即磨削區呈現為壓應力，而之下的次表層、即非磨削區則為拉應力。圖10顯示的是德國大眾系統企業生產的凸輪軸，采用CBN砂輪進行一次性磨削和油基冷卻液。而國內另一家廠的類似產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，經與圖7同品牌的X衍射儀的檢測，獲得的結果同圖10相似，工件表面殘余應力的實測值為一500MPa左右。 鑒于此，客觀地說，現今的不少企業即使在對工件表面進行磨削燒傷監測時*沒有考慮到殘余應力這一問題，但只要所采用和實際運行的工藝是穩定的，并能認真履行所制定的其他日常檢測、監控措施，也還是能較有效地實現相應的質量目標的。再回到前面推導出的二元線性回歸方程（5），事實上， 工件表面出現500MPa殘余拉應力的機率極小，雖然也難以保證處于一定的壓應力水平，但至少應確定不能出現拉應力。故在利用該回歸方程（5）做類似前面的磨削燒傷特征量mp的預測時，雖仍然給定自變量x1的值x1o= 600，但x2的值則改為x20=0后，經代入計算：yo = 441.9一0.634*x1o，從而可得到y的預測值yo=61.5，即評定工件磨削燒傷合格與否的判別界限。如果將它與只考慮表面硬度一個因素，利用一元線性回歸方程（3）獲得的界限值yo=65.5相比，可以發現兩者還是比較接近的，這就進一步驗證了上述結論。實際上，就是在對產品制造質量高度重視、技術要求的制定十分完善和規范的德國大眾汽車公司，只要生產工藝很穩定，在其總部實驗室利用X衍射儀對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際出發來確定的，圖5就是一張來自于那兒的檢測報告，從中可見其合格品線的界限mp=60。 雖說提高產品質量是中外企業的不懈追求，但降低生產成本，包括質量成本同樣受到極大關注。在不放過一個次品的同時，企業也不希望冤枉一個合格產品。本文在如何看待和處理磨削燒傷判別界限的認定這個具體問題上，通過較全面的考察和分析，提出了一個兼具準確可靠又合理可行的實施方案。
參考文獻 1，上海市質量管理協會質量體系中的統計技術上海科學技術出版社 1997 2，許玲凸輪軸磨削裂紋分析《機械工程師》哈爾濱 2008 0 3，彭欣健等凸輪軸加工中CBN磨削技術的應用和研究《裝備制造技術》南寧 2010 No.3
The method and step for rising the level of detecting grinding burn Zhu Zhengde SHANGHAI VOLKSWAGEN Powertrain Co.Ltd Abstract This article points because of the limitation of traditional method for detecting grinding burn, a type of new inspecting instrument based on Barkhausen principle has been found application in some factories. This article declares the evaluation specification value of grinding burn using the special instrument, especially explains how to confirm exact boundary line during calibrating by using application of correlation analysis and introduces a practical way both reasonable and reliable finally. Keywords grinding burn, Barkhausen principle, quality specification value, detecting and calibrating, correlation analysis |
提升磨削燒傷檢測水平的方法和措施
更新時間：2013-09-12 點擊次數：2243次
酸洗法，也稱酸蝕法：即在被檢零部件表面涂上酸液或將其浸入盛有按規定配制的酸液（典型配比為5毫升濃硝酸配100毫升乙醇）槽中。之后，根據表面呈現顏色深淺的變化，對磨削燒傷的程度作出相應的判斷。一般地說，隨著色澤變得越來越深，表示工件表面因溫度更高等原因，引起的磨削燒傷更為嚴重。
進較為困難。此外，它們只能反映金相組織變化引起的硬度下降，而無法反映工件表面的殘余應力，故在全面揭示磨削燒傷的程度上也顯得不足。
域間原子磁矩的排列方向則不同。各個磁疇間的交界區稱為磁疇壁。鐵材料在外加磁場中的磁化、磁響應能用磁疇理論說明。Barkhansen效應即是針對上述鐵磁性材料在外加磁場的作用下會引起磁疇壁運動，在此過程將會圖3磁彈法檢測儀工作原理示意
硬度值HRc由高向低變化，檢測儀器輸出的相應的信號幅值將由小到大，即硬度低對應的檢測信號高，硬度高對應的檢測信號低。儀器對表面殘余應力的反應見圖4b，從中可見當殘余應力由小到大，即由負（壓應力）向正（拉應力）變化時，檢測出的相應的信號幅值將由低向高變化。
把線性回歸分析用于特征值定標的前提是儀器特征值mp與能夠真實體現磨削燒傷的表面硬度及殘余應力這兩項物理量之間的相關性，為此首先必須獲得相應的數據。
的信息，可以選出若干個工件及其相應的檢測位置，對它們做的測試需既能分別代表不同的磨削燒傷程度、又較易于準確測量。如圖5中，雖然二個被測件都在60º~70º間的特征值mp顯示為zui大，但呈陡峭的尖峰狀，這樣無論硬度還是應力都很難測得準，故不會選此處。圖6所示的是一臺半自動儀器，工件上、下料由人工操作，之后將測頭輕輕擱放在零件表面，被夾持的工件即自動回轉并進行測量。從圖中可見，此時測頭所處的位置正好是凸輪的桃尖。 
上式分子中的 
y = 441.9一0.634*x1一0.0437*x2（5）
在正常情況下如前所述，存在的主要風險乃是工件表面硬度不同程度的下降。對應地，此時工件表面、即磨削區域的殘余應力表現為壓應力，而其下的次表層、即非磨削區域則表現為拉應力。來自大學基礎實驗室的相應測試結果表明，前者的zui大（）值約為一800MPa左右，而后者的zui大值在900MPa左右。之所以也還存在著表面殘余應力呈現為拉應力的隱患，原因主要還是由冷卻不當造成的。*，磨削過程中的冷卻有三種型式：1）風冷、即采用干磨時的自然冷卻，2）水基冷卻液，3）油基冷卻液。當采取第1）和第3）種冷卻方式時，工件表面將呈現為壓應力，此時可能存在著硬度下降的風險。而長期以來，由于水基的冷卻效果明顯地優于油基，環保處理也簡單，使用成本要比油基低得多，因此應用十分普遍。但這時也隱含著另一種風險：鑒于采用水基磨削液后的冷卻速度快，表面產生的二次淬火馬氏體會增多，晶格變化、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，從圖10凸輪表面殘余應力X衍射法測試報告示例 上一篇 : 殘余應力檢測儀的測試方法 下一篇 : 沒有了
