工件磨削燒傷及其檢測、評定方法簡析

朱正德

（大眾動力總成（上海）有限公司，上海201807）

工件磨削燒傷及其檢測、評定方法簡析

朱正德

（大眾動力總成（上海）有限公司，上海201807）

闡述了磨削燒傷的成因與危害，并在對相應(yīng)檢測手段進行描述后指出，作為影響產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要因素，現(xiàn)有測試方法已難以滿足準(zhǔn)確、快速檢測的要求。介紹了一種新穎、高效、實用的“磁彈法”的工作原理，以及在此基礎(chǔ)上研制的專用儀器，尤其敘述了借助磁彈法檢測工件磨削燒傷時的評定指標(biāo)和儀器的特征值定標(biāo)。最后還就諸多工藝因素對磨削燒傷的影響做了相關(guān)分析。

磨削燒傷檢測手段磁彈法特征值mp和定標(biāo)

1 前言

近期在汽車行業(yè)內(nèi)進行的一次調(diào)研表明，多數(shù)企業(yè)雖然對磨削燒傷這一工藝現(xiàn)象的成因及其可能引起產(chǎn)品質(zhì)量的影響有所了解，但總體來講，無論在認(rèn)識上還是在檢測、評定等具體事宜的處理上都大有需要改進、完善、提升的必要。

2 磨削燒傷的成因與危害

不同于其他方式的切削加工，磨削廣泛應(yīng)用于零件的精密加工。由于被磨削金屬層較薄，產(chǎn)生的切屑也少，加之砂輪的導(dǎo)熱性差，因此僅有不到10%的熱量可以被切屑帶走，而大約60%～90%的熱量會傳入工件。這樣就在很短的時間內(nèi)在磨削表層聚集大量熱量，從而形成局部高溫，以致磨削區(qū)區(qū)域溫度可達800～1 000℃甚至更高，從而在表面形成極大的溫度梯度。在磨削熱量、磨削力二者的綜合作用下，引起了零件表層的金相組織變化，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而這就是所謂磨削燒傷的成因。鐵磁性材料的工件一般在磨削加工前都需經(jīng)歷熱處理這道工序，借助在工件表面形成馬氏體組織，將能夠提供足夠的硬度。而磨削區(qū)的高溫和很大的溫度梯度會使金相組織發(fā)生變化，主要是因為只要當(dāng)溫度一旦超過馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度，就會產(chǎn)生回火或退火現(xiàn)象引起金相組織轉(zhuǎn)變，而這會直接導(dǎo)致工件表面硬度不同程度的下降。另一方面，磨削過程中工

件表面溫度的急劇上升，以及之后開始的冷卻直至最后冷卻，會引起零件表層的熱脹冷縮，造成自工件表面至內(nèi)部的各層產(chǎn)生各異的殘余應(yīng)力。如果表面的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)為拉應(yīng)力態(tài)勢，且幅值又較大，那就埋下了質(zhì)量隱患。

來稿日期：2013-01-24

如果磨削燒傷發(fā)生于在交變載荷工作環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)類零件，如發(fā)動機中的凸輪軸、曲軸、氣門等，它們對工件的表面質(zhì)量都有很高的要求，工作表面硬度的下降就會直接影響他們的使用性能。而如果凸輪經(jīng)磨削后其表層存在較大的殘余（拉）應(yīng)力，雖然在其幅值小于材料的強度極限時并不會致使表面開裂，但在交變載荷作用下這一隱患很容易擴大，從表面的少數(shù)細紋發(fā)展為網(wǎng)狀裂紋，并擴張至相互連接，最終造成工件表面的剝落，從而使凸輪軸失效。

3 磨削燒傷的檢測與評定

現(xiàn)今，企業(yè)一般選擇和采用的磨削燒傷檢測方法有以下幾種。

（1）目視法，也稱觀色法：一旦零件表面存在磨削燒傷，就會形成氧化膜，且氧化膜的顏色和厚度與燒傷的程度相關(guān)。如隨著因切削熱而引起的溫度升高，無論工件的材質(zhì)是鑄鐵還是鋼，氧化膜的顏色都會經(jīng)歷從呈現(xiàn)黃色、褐色、紫色、青色，到最嚴(yán)重時為灰色。因此，檢查人員只需通過仔細觀察、識別零件磨削表面的色澤，就能對磨削燒傷程度做出大致判斷。

（2）酸洗法，也稱酸蝕法：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（典型配比為5 mL升濃硝酸配100 mL乙醇）槽中。根據(jù)表面呈現(xiàn)顏色深淺的變化，對磨削燒傷的程度做出相應(yīng)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越來越高而引起的磨削燒傷越來越嚴(yán)重。圖1中，A是一根剛磨削完畢的工件，B是經(jīng)酸蝕法檢驗表明為合格的，色澤較淺，而C是經(jīng)檢驗表明為不合格的工件，從圖中可見色澤很深。

（3）金相測試法：其實也是一種磨削燒傷的檢測手段，且能對燒傷的程度做出判別。

（4）硬度測試法：一旦發(fā)生磨削燒傷時，工件表面可能會產(chǎn)生硬度下降，因此通過硬度測試來驗證確實是一種十分有效的方法。事實上，在很多企業(yè)的圖紙上，對這項參數(shù)也都有明確的要求，甚至還被分解到不同的功能段（見圖2）。但實際中對這項指標(biāo)的測試頻次并不高，而且客觀上對這項抽檢所體現(xiàn)出的監(jiān)測磨削燒傷的功能也缺乏足夠的認(rèn)識。

圖1 酸蝕法的磨削燒傷檢驗

圖2 凸輪表面硬度測試

以上幾種方法中，前2種雖然直觀且簡單易行，但有著很大的局限性。主要是這二者均屬于定性檢查，無法對燒傷程度做出定量說明，更難以比較精確地確定一個界限，無法對工件做出合格與否的判別。而在應(yīng)用酸洗法時，工件表面經(jīng)酸液浸蝕，即使是一個無問題的零件，檢測之后也不能再使用，實際上執(zhí)行的是一種破壞性的檢查，還會給企業(yè)帶來一些必須處理的環(huán)保問題。金相測試雖然較精確，但必須在實驗室中利用專門的儀器，且進行檢測前還需經(jīng)過繁瑣的制樣，故不可能成為一種常規(guī)的監(jiān)測方法。

顯然，依據(jù)前面關(guān)于磨削燒傷的成因表述，真正能確切且定量地反映燒傷程度的參數(shù)應(yīng)該是工件

表面的硬度和殘余應(yīng)力這二項。但行業(yè)調(diào)研結(jié)果表明，目前國內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品圖紙上既未標(biāo)注殘余應(yīng)力這項指標(biāo)，又不具備在實驗室利用X射線衍射的方法檢測工件表面殘余應(yīng)力的能力。而面對工件表面的硬度檢測也會碰到與金相測試類似的問題，以占零件產(chǎn)量很大比例的軸類零件為例，多數(shù)情況下需要事先進行制樣，這就會在較大程度上制約了實際的抽檢頻次。綜上所述，隨著對產(chǎn)品制造質(zhì)量的日趨關(guān)注和重視，企業(yè)很期盼有一種更為實用的檢測手段，能夠快速、有效地對零件表面磨損燒傷的程度進行定量判斷。

4 基于磁彈法的磨削燒傷檢測及評定特征值

傳統(tǒng)檢測方法的抽檢樣本尺寸很小，欲對所執(zhí)行的工藝過程做出較為準(zhǔn)確的評價，并據(jù)此予以改進顯得更為困難。此外，現(xiàn)有的幾種檢驗方法在同時評判因金相組織結(jié)構(gòu)變化而引起的硬度下降和工件表面殘余應(yīng)力則有困難，這些方法在全面揭示磨削燒傷的程度上也顯得不足。而能用于批量生產(chǎn)工件磨削燒傷測試的“磁彈法”是基于物理學(xué)Barkhansen效應(yīng)的一種測試方法。鑒于軸類零件的材質(zhì)極大多數(shù)為鐵磁性材料，而在正常情況下，體現(xiàn)在多晶體磁疇結(jié)構(gòu)的磁序呈有規(guī)則的排列。但磨削燒傷引起的金相組織變化以及可能造成較大的殘余應(yīng)力將產(chǎn)生磁疇結(jié)構(gòu)的磁序變化。Barkhausen效應(yīng)指出：矯頑力，及改變被顛倒極性所需要的磁場強度是與鐵磁性材料晶格結(jié)構(gòu)錯位程度和殘余應(yīng)力程度有關(guān)。利用“磁彈法”探測被檢零部件表面磨削燒傷的機理就在于此。圖3是在此基礎(chǔ)上開發(fā)的檢測儀器的工作原理示意。圖3中，“門”形電感線圈被施于激磁電壓，形成的磁場在被測零件中所產(chǎn)生的效應(yīng)取決于該工件表面磨削燒傷的實際狀況。而由此在工件周圍所形成的磁場又會使傳感器中的感應(yīng)線圈產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。而這一信號又直接與工件磨削燒傷的程度有關(guān)，并在傳感器中產(chǎn)生對應(yīng)的檢測信號，經(jīng)過放大和濾波處理環(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明顯下降，并在表面形成較大的拉應(yīng)力，即殘余應(yīng)力。而圖3所示的檢測儀器對它們都能做出敏感的反應(yīng)。圖4a中的橫坐標(biāo)表示硬度值HRC，而縱坐標(biāo)表示輸出的Barkhansen檢測信號幅值。隨著被檢工件表面硬度值HRC由高向低變化，檢測儀器輸出的相應(yīng)的信號幅值將由小到大，即硬度低對應(yīng)的檢測信號高，硬度高對應(yīng)的檢測信號低。儀器對表面殘余應(yīng)力的反應(yīng)見圖4b。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，檢測儀器輸出的相應(yīng)檢測信號幅值由低向高變化。

圖3 BN法檢測儀器工作原理圖

圖4 BN法對磨削燒傷后硬度及殘余應(yīng)力變化的反映

上述儀器所產(chǎn)生的Barkhansen檢測信號，如圖4中a、b的縱坐標(biāo)所示，乃是Barkhansen磁彈法效應(yīng)的一種量化表達，可以用評定指標(biāo)特征值mp來標(biāo)志。mp與被檢測工件表面的變異狀態(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、輸出。磁彈法本質(zhì)上屬于比較測量。為了能進行有效的監(jiān)控，就必須解決定標(biāo)問題，即在磨削燒傷嚴(yán)重程度表述已量化的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確確定合格的邊界值。否則利用磁彈法就只能區(qū)分工件燒傷的嚴(yán)重程度，而無法對其合格與否做出判斷。圖5中，2個被測件顯示在60°～70°間的區(qū)域有超差情況，其依據(jù)就是由mp=60這條合格品線決定的界限。目前，根據(jù)磁彈法原理研制的檢測儀器已產(chǎn)品化。但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(tǒng)的酸洗法。為此，之前需先準(zhǔn)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(jié)果后，再按用戶的評定標(biāo)準(zhǔn)對其做出不同的評價。將介于合格與不合格臨界狀態(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，這種將定性檢測結(jié)果經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為定量評價的做法存在著不夠嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確性欠缺的問題。但相對而言，在業(yè)界現(xiàn)有條件下，這也確實是一種既為企業(yè)比較熟悉，又在技術(shù)上較易于實現(xiàn)的途徑。

圖5 檢測結(jié)果（報告）示例

5 表面硬度、殘余應(yīng)力對磨削燒傷的影響

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。有測試結(jié)果表明，前者的最大（絕對）值為800 MPa左右，而后者在900 MPa左右。之所以還存在著殘余應(yīng)力呈現(xiàn)為拉應(yīng)力的隱患，主要原因還是由冷卻不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐傻摹１娝苤?，磨削過程中的冷卻有3種型式：（1）風(fēng)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(dāng)采取第1和第3種冷卻方式時，磨削表面呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，此時可能存在著硬度下降的風(fēng)險。而由于水基磨削液的冷卻效果明顯優(yōu)于油基，環(huán)保處理簡單，使用成本也低得多，因此使用十分普遍。但這時也隱含著另一種風(fēng)險：由于采用水基磨削液后的冷卻速度快，表面產(chǎn)生的二次淬火馬氏體會增多，晶格發(fā)生變化、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，從而增大了工件表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的傾向。當(dāng)形成的拉應(yīng)力超過了材料的強度極限時，表面就會出現(xiàn)裂紋。

然而隨著越來越多企業(yè)在凸輪軸、曲軸等零件加工中采用CBN磨削技術(shù)，上述隱患正在不斷減小。與其他磨料相比，CBN磨料有著更高的硬度和強度，切削刃更鋒利且耐磨，因而具備了優(yōu)化各種磨削參數(shù)的條件。如大大提高砂輪線速度后，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，從而工件表面的溫度必然會相應(yīng)下降。另一方面，自本世紀(jì)初起，一些主流發(fā)動機企業(yè)在進行軸類零件磨削加工時已出現(xiàn)了由油基冷卻液逐漸取代水基冷卻液的趨勢，而執(zhí)行干磨工藝的企業(yè)也在增多。這一切都表明，相比之下工件表面磨削燒傷產(chǎn)生的硬度下降風(fēng)險遠遠大于殘余拉應(yīng)力帶來的風(fēng)險。

鑒于此，即使現(xiàn)今不少企業(yè)在對工件表面進行磨削燒傷監(jiān)測時并未考慮到殘余應(yīng)力這一因素，暫時也尚無配備上述那種基于磁彈法研制的專業(yè)檢測儀器，但只要實際運行的工藝是穩(wěn)定的，并能認(rèn)真履行所制定的其他日常檢測、監(jiān)控措施，尤其是需按圖紙上的要求進一步重視和加強對工件表面的硬度測試，還是能比較有效地實現(xiàn)相應(yīng)的質(zhì)量目標(biāo)。

1許玲．凸輪軸磨削裂紋分析[J]．機械工程師，2008（10）．

2王偉，馬明杰，保利等．凸輪表面磨削裂紋的產(chǎn)生及預(yù)防措施[J]．汽車工藝與材料，2012（5）．

Analysis on Inspection and Evaluation of Burnt Part Due to Grinding

Zhu Zhengde
（Volkswagan Powertrain(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 201807,China）

Descript ion of the cause and harmfulness of burnt part due to grinding as well as corresponding inspection methods are presented.As burnt part due to grinding becomes an important factor in controlling product quality,the existing testing method cannot satisfy quick and correct inspection. Magneto-elasticity,a new efficient practice way of inspection is introduced and a dedicated instrument is developed based on the principle of the magneto-elasticity.Special attention is made on evaluation of burnt degree and calibration of characteristic value of the instrument.A relevant analysis is also made on manufacturing factors to burnt part due to grinding.

grinding burn,inspection method,magneto-elasticity,characteristic value, calibration

朱正德（1945－），男，教授級高級工程師，主要研究方向為計量與檢測。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.009