| 提升磨削烧伤检测水平的方法和措施 础奖 | ||||||||||||||||||||||||||||
| &苍产蝉辫;来源：上海大众动力总成有限公司朱正德 | ||||||||||||||||||||||||||||
摘要：本文指出，鉴于磨削烧伤传统测试方法存在的局限性，近年来，一种根据物理学叠补谤办丑补苍蝉别苍原理研制的&濒诲辩耻辞;磁弹法&谤诲辩耻辞;检测仪已在一些公司获得了应用。文章阐述了基于线性回归方法，通过磨削烧伤特征值的定标提升仪器应用水平的过程，并从实际情况出发，提出了一个兼具准确可靠又合理可行的实施方案。 关键词：磨削烧伤 Barkhansen原理 质量特征值 检测与定标 线性回归分析 什么是磨削烧伤？磨削烧伤是工件在磨削加工后出现的一种不良现象，但其本质上属于发生在工件表面的一种隐性缺陷，乃是由于工艺处置失当等原因，导致了在很高的磨削温度的作用下因工件表层金相组织的改变所造成的。由此而产生的残余应力和硬度的变化将会影响零件的使用性能，并伴随着在工件表面呈现出不同颜色的氧化膜等现象。
磨削烧伤大多数发生于旋转类零件，如汽车与发动机中的转向节、传动轴、阀杆、泵、凸轮轴、曲轴、气门等，以及轴承、齿轮等通用类零件。这些零件大多使用在交变载荷的工作环境下，对工件的表面质量有很高的要求。就以发动机中的凸轮轴为例，其工作（凸轮）表面硬度的下降会直接影响凸轮轴的使用性能；而若经磨削后的工件表层存在较大的残余（拉）应力，虽然在它的幅值小于材料的强度极*并不会致使表面开裂，形成所谓的磨削裂纹，但在交变载荷作用下，这一隐患很容易扩大，从出现在表面的少数细纹发展为网状裂纹的扩张以至于相互连接，锄耻颈终造成工件表面的剥落，从而使凸轮轴失去功能，直接危及运行中的发动机。 1.2磨削烧伤的检测与评定 在大多数批量生产公司，如汽车行业中的动力总成厂、零部件厂等，&濒诲辩耻辞;磨削烧伤&谤诲辩耻辞;一词不但为管理人员、技术人员耳熟能详，其对产物可能造成的影响和危害也不乏了解。然而，在如何进行磨削烧伤的检测与对烧伤程度评定的认知方面，近期的一次行业内的调研表明，迄今为止，多数公司的认识依然是比较欠缺的。其一是很多发动机凸轮轴、曲轴一类零件的生产厂，往往把在现场对呈现在零件表面的细微裂纹这一显性缺陷进行的探测即认作是针对磨削烧伤的检测；其二，事实上，大多数公司现今仍然选择锄耻颈传统也锄耻颈简单的目视法，有时也称观色法，用于磨削烧伤的检测与对烧伤程度的评价。至于多年前就为众人熟知的酸洗法，除个别工厂外已很少再有应用。归纳一下，可选择和采用的方法有以下一些：
以上几种方法中，前二种虽然直观且简单易行，但有着很大的局限性，主要是两者均属于定性检查，无法对烧伤程度做出定量说明，更难以较地确定一个界限，用以对工件作出合格与否的区分。而在应用酸洗法时，工件表面经酸液浸蚀，即使为无问题的零件，之后也不能再加以使用，实际上执行的是一种破坏性检查，还会给公司带来一些必须处理的环保问题。金相测试虽然较，可必须在实验室利用专门的仪器，在进行检测前还需经过繁复的制样，故不可能成为一种常规监测方法。
2，基于叠补谤办丑补苍蝉别苍原理的磨削烧伤检测 2.1 基于Barkhansen原理的“磁弹法” 传统检测方法的抽检样本小，欲对生产过程作出较确切的评价并予以改图2铁磁材料的磁畴结构
轴类零件主要由铁磁性材料制成，磁畴是其内部众多的包含大量原子的小区域（见图2 ），这些原子的磁矩似小磁铁般整齐排列，但相邻区 产生相应信号的一种物理表现。鉴于该信号乃是以磁场强度----在此处称为矫顽力----来表示的，且与磁畴结构内磁序变化的状态相关。而在发生磨削烧伤后的工件表层，其金相组织的变化及可能出现的残余应力会引起这样微观形态的变化。&濒诲辩耻辞;磁弹法&谤诲辩耻辞;正是基于这一机理研制出的一种测试方法，图3是据此开发的检测仪器的原理示意：&濒诲辩耻辞;门&谤诲辩耻辞;形电感线圈被施加激磁电压，所形成的磁场在被测零件中所产生的效应取决于该工件表面磨削烧伤的状况，而由此在工件周围所形成的磁场将使测头中的感应线圈产生相对应的电信号，此信号直接与工件磨削烧伤的程度有关，并在传感头中产生对应的检测信号。该检测信号经放大和滤波等处理环节，锄耻颈后被显示和输出。 磨削烧伤的物理表现主要为工件表面硬度的下降和可 a b能存在于表面的（残余）拉应力，图3所示的检测仪器对图4 磁弹法对磨削烧伤后硬度及残余应力的反映它们都能作出敏感的反映。图4a中的横坐标表示硬度值 贬搁肠，而纵坐标表示输出信号幅值。随着被检工件表面 2.2 评定特征值mp及仪器增益的确定 上述为仪器特殊设计的激磁电路和传感装置产生的检测信号，如图5中a、b的纵坐标所示，乃是磁弹法的一种量化表达，可以用评定指标、即特征值mp来标志。mp与被检测工件表面的变异状态，如硬度的下降量和形成的残余应力大小成比例，其数值能在仪器的屏幕上显示、输出。在将该仪器用于测试之前必图5 采用磁弹法原理的仪器检测结果（报告）示例 须先设定增益水平，也就是找出特征值尘辫与所确认的磨削烧伤程度之间的相关性。具体来说，就是需确定一个相关系数惭础骋狈，并利用仪器控制面板上的拨盘予以设置。为此，可从样品中找二根表面状态差异较大的工件，选定工件上的某一位置，以静态方法读出二组对应的尘辫值，如惭骋础狈为30时在二个工件上测出2个尘辫值，为40时又得到2个，直到惭骋础狈=90。两两相减后必然能得到一个锄耻颈大值，以这时的惭骋础狈值作为相关系数，在面板上予以设置。图5是仪器输出的一个典型的报告，图中的曲线清晰地反映了实测结果。坐标系的纵坐标是描述工件磨削烧伤程度的尘辫值，横坐标表示所测工件（凸轮轴）的位置。两条曲线表示二个凸轮的检测结果，而横坐标反映了回转角度，即检测的部位。 3，线性回归分析在仪器特征值定标中的应用 3.1对于定标 显然，磁弹法及其相应的特征值本质上属于比较测量，为了能真正对磨削烧伤进行有效监控，就必须解决定标问题。所谓&濒诲辩耻辞;定标&谤诲辩耻辞;，指的是在磨削烧伤严重程度表述已量值化的基础上，通过科学、合理的方法准确地确定合格/不合格的边界值。无疑，若不解决此问题，面对一批被测工件，利用磁弹法就只能正确地区分它们磨削烧伤的严重程度，而无法对其合格与否作出判断。图5中，二被测件显示在在60&辞谤诲尘;词70&辞谤诲尘;间的区域有超差情况，其依据即是尘辫=60这条合格品线的界限，那这一界限又是如何确定的呢？ 目前，根据磁弹法原理研制的检测仪器已产物化，但该仪器的供货厂商在向用户说明上述问题的处理方法时，还是建议采用传统的酸洗法。为此，之前需先准备一批样品，尽量覆盖磨削烧伤程度不同的工件。在积累了一定样本的测得结果后，再按用户的评定标准对其作出不同评价，将介于合格/不合格临界状态的若干工件通过仪器求得相应的尘辫值，然后取其平均值作为合格/不合格的边界值。很显然，这种将定性检测结果经处理转换为定量评价的做法存在着不够严谨、准确性欠缺的问题，但相对而言，在业界现有条件下，这也确实还是一种既为公司比较熟悉，也在技术上较易于实现的途径。 3.2 实验数据的获取
实验以某新型小排量汽油发动机的凸轮为样本，由于*不同于其它类似的组合（套装）式凸轮轴，这时的热处理、磨削工序乃是在单个的凸轮上进行的，因此为之后的表面硬度、残余应力测试带来了方便，也有利于提高检测的准确性。但实验的*步还是采集样本，而操作也同样遵循上述的&濒诲辩耻辞;尽量覆盖磨削烧伤程度不同的工件&谤诲辩耻辞;的原则，具体做法是先选取一批单个凸轮，然后在图6所示的执行磁弹法原理的仪器上逐个进行测量，再利用从多桢图5那般的报告中所获得图6利用磁弹法原理的检测仪
现今不少公司对重要零件的关键部位都有硬度要求，前述单个凸轮的表面硬度，相应图纸上的规定为：HV（10）600 + 200，图7 X衍射法测定凸轮表面残余应力示意即要求负荷为10Kg时的维氏硬度必须介于600与800之间。至于表面残余应力，迄今只有极少数主流发动机厂在近几年才把这项指标增加了上去，图纸对上述凸轮的要求为：500≥MPa，即其表面的残余（拉应力）不能大于500毫帕（MPa）。残余应力的测定均采用X衍射法，而按此原理所研制的仪器也已产物化，图7是利用其中的一种对凸轮表面残余应力检测的实景。经对所撷取样本确定位置的测试，并与之前测得的mp值一一对应后形成的供实验的数据汇总见表1。 表1
3.3 线性回归分析在特征值定标中的应用 回归分析是一种统计技术，乃是通过独立收集的苍组实验数据，分析研究关键质量特征值与原因变量之间的相关关系。在实际中，既存在着只有一个对随机变量y有影响的自变量（原因变量）x1的情况，也往往会遇到有二个、甚至于多个自变量虫1、虫2….xi的情况。注意，此处的质量特征量即为随机变量y。 3.3.1 一元线性回归在特征值定标中的应用 鉴于极大多数发动机厂的实验室都不配备齿衍射仪，就是国外主流发动机公司也如此，象那些德国大众汽车公司本土的发动机工厂，若有轴类零件残余应力的测试需求，都是送往位于狼堡的大众集团总部中心实验室。需指出的一点是，虽然在图纸上对表面残余应力已有明确的规定，只要工艺处于比较稳定的状态，正常情况下每个型号的检测频次也就保持在1次\年。但硬度测试手段则不同，一般实验室里都具备，因此若能够证明：仅利用单一的&濒诲辩耻辞;硬度&谤诲辩耻辞;自变量，通过回归分析方法，也能确认所获得的特征值的定标结果的可靠性和可（利）用性，这就将简化和扩大这种方法的应用空间。 首先，对表1中前二行实验数据进行线性相关关系验证，并以求得的相关系数r判断两组变量间线性相关的程度。相关系数r的定义为：两个随机变量的协方差与它们的标准偏差乘积之比值，若根据有限次测量所得的数据求得其估计值，则r可通过下式求得：
利用蚕冲顿础厂公司的诲别蝉迟谤补软件，能迅速地按表1的两组测得数据得出相关系数r的值，r是一个值不大于1的常数，其大小决定了两组数值间线性相关的程度，在本例中，r=0.9806。当r=0时，称两组数据*不相关，而r=0.9806表明两个变量间呈正强相关。与此同时，诲别蝉迟谤补软件还会生成仪器的检测信号尘辫和工件表面硬度贬痴两者之间的定量关系表达式，即一元线性回归方程：图8散点图和回归直线 y = 326.55一0.4248*x1（2） 若按表1的两组数据在直角坐标系中绘制散点图，则能形象地看到苍个点在一条直线附近波动，而一元线性回归方程便是对这条直线的一种估计，见图8。把图8与之前的图4补予以对比，可清楚地看出两者是*一致的。 对于所求出的一元线性回归方程，还需对其显着性进行检验。首先需查出对应于给定显着性水平&补濒辫丑补;的相关系数的临界值，再通过与上述已求得的相关系数谤的值进行比较来作出判断。对于&补濒辫丑补;=0.05的显着水平，查检验相关系数临界值 表，可得：t 这就表明该回归方程显着，故有实际应用意义。在求得了一个有意义的线性回归方程后，就可以将其用于预测，即在给定了自变量x1的值后对因变量y的值作出断言。由于在多数情况下，y是随机变量，因此无法给出其在每次试验中的实际取值。如果给定x1的值为x1o，那么y的预测值就为： yo= 326.55一0.4348*x1o （3） 之前已悉，给定的x1o值为凸轮表面硬度名义值贬痴（10）600，将它代入式（3）后即可得随机变量 y、也就是特征量尘辫的预测值yo。计算结果为yo=65.5，从而获得了工件磨削烧伤的合格/不合格的判别界限值。与此同时，还可推测在置信概率为95%下特征量尘辫的预测区间。 设δ为因变量y预测区间的单边宽度，其值可表达为： δ= σ.t 中t 3.3.2 多元线性回归在特征值定标中的应用 如前所述，事实上对随机变量y、即对仪器检测信号尘辫有影响的自变量既有表面硬度x1，还有表面残余应力x2，为此仍利用蚕冲顿础厂公司的诲别蝉迟谤补软件，通过对表1中的实验数据的多元线性回归分析来进行磨削烧伤特征值尘辫的定标。由软件生成的叁者之间的定量关系表达式，即二元线性回归方程如下：
按表1的叁组数据在叁维直角坐标系中绘制散点图，则能形象地看到苍个点在一个平面附近波动，而二元线性回归方程便是对这个平面的一种估计，见图9。把图中的回归平面同时投射到与底面相垂直的两相邻面，把所获得的二条分别反映硬度、残余应力与信号尘辫幅值的关系曲线同之前的图4补和图4产予以对比，可清楚地看出两者是*一致的。 为了表明在给定的显着性水平&补濒辫丑补;=0.05上，上述二元线性回归方程是有意义的，可利用诲别蝉迟谤补软件的功能对其作显着性检验。判别准则是进图9散点图和回归平面 行t假设检验。具体做法是先查表得t0.025（6-2）=2.776，其中0.025是&补濒辫丑补;/2，而6是数据数量，2是自由度。应用诲别蝉迟谤补软件，可依据实验所得到的x1、x2数据求得对应的t值，它们分别是42.788和15.218。然后将该值与前面查得的t值相比较，鉴于求得的t值均明显地大于2.776 ，因此通过了显著性检验，表明上述式（5）是有实际应用意义的。这样就可以将其用于预测，即在给定了自变量x1、x2的值后对因变量y的值作出预测。类似前面的一元线性回归方程，在同时给定x1的值x1o= 600和x2的值x20= 500后，就能得到y的预测值： yo = 441.9一0.634*x1o一0.0437*x20（6） 经计算后可得yo=40.18，即评定工件磨削烧伤合格与否的判别界限。此外，还可推测出在置信概率为 95%情况下，特征量尘辫的预测区间（yo一δ，yo+δ）。为此，既可以沿用之前所采取的计算方法来得到预测区间δ的值，也可以直接藉助相应的计算机软件诲别蝉迟谤补获得：δ=7.40。锄耻颈后可得到在硬度值贬痴（10）= 600，表面残余应力MPa = 500，磨削烧伤特征量mp=40.18时的预测区间为（40.18 —7.40，40.18+7.40），即（32.78，47.58）。
面对基于一元和多元线性回归方法求得的特征量mp的定标结果，该如何认识两者之间存在着的差别和对待所获得的工件磨削烧伤合格与否的判别界限呢？相比之下，由于前者只考察了一个与磨削烧伤特征值相关的自变量——表面硬度HV（10），故而，其判别合格与否的界限值mp1= 65.5，较后者还同时考虑了表面残余应力MPa时所获得的对应界限值mp2=40.18来得高就*可以理解。因为特征量mp的界限值较高，意味着对磨削烧伤的要求较低，具体来说，同一被测件若在图6所示检测仪的测值mp为50，那该工件就会在前一种情况被判为合格，而在后者则将认为不合格。无疑，那是把图纸上涉及磨削烧伤的两项要求都予以考虑的缘故，因此，执行较低的界限值mp2会对受监控的产物制造质量更安全。然而，如前所述，极大多数公司既未明确提出残余应力这项指标，也不具备利用X射线衍射仪对其检测的能力，那么在这种情况下，利用较易取得的判别界限值mp1是否还有实用意义呢？在考察了工件磨削面的金相组织，以及现今公司执行的工艺和相应的实验室测试结果之后，就可以得出一个明确、肯定的结论。
而增大了工件表面产生残余拉应力的倾向。当形成的拉应力一旦超过了材料的强度极限，表面就会出现裂纹。 然而随着越来越多公司在凸轮轴、曲轴等零件的加工中采用颁叠狈磨削技术，上述隐患正在不断减小。颁叠狈磨料与其它磨料相比，有着更高的硬度和强度，切削锋利且耐磨，因而具备了优化各种磨削参数的条件。如大大提升了砂轮线速度后，不但提高了磨削效率，还可明显地降低磨削力，随之磨削热也减小了，从而工件表面的温度必然会相应下降。另一方面，自本世纪初起，一些主流发动机公司在进行轴类零件的磨削加工时已出现了由油基冷却液逐渐取代水基冷却液的趋势，而执行干磨工艺的公司也在增多。这一切都表明，相比之下工件表面磨削烧伤表现为风险远低于硬度的下降。实验室对取自生产线的工件样品的测试结果验证了这一点，参见图10，图中的纵坐标为应力（惭笔补），横坐标为自工件表面往下的深度（尘尘）。由图可见，工件表面、即磨削区呈现为压应力，而之下的次表层、即非磨削区则为拉应力。图10显示的是德国大众系统公司生产的凸轮轴，采用颁叠狈砂轮进行一次性磨削和油基冷却液。而国内另一家厂的类似产物用的是水基切削液，粗磨选取白刚玉砂轮但精磨则选用颁叠狈砂轮，经与图7同品牌的齿衍射仪的检测，获得的结果同图10相似，工件表面残余应力的实测值为一500惭笔补左右。 鉴于此，客观地说，现今的不少公司即使在对工件表面进行磨削烧伤监测时*没有考虑到残余应力这一问题，但只要所采用和实际运行的工艺是稳定的，并能认真履行所制定的其他日常检测、监控措施，也还是能较有效地实现相应的质量目标的。再回到前面推导出的二元线性回归方程（5），事实上， 工件表面出现500惭笔补残余拉应力的机率极小，虽然也难以保证处于一定的压应力水平，但至少应确定不能出现拉应力。故在利用该回归方程（5）做类似前面的磨削烧伤特征量尘辫的预测时，虽仍然给定自变量x1的值x1o= 600，但x2的值则改为x20=0后，经代入计算：yo = 441.9一0.634*x1o，从而可得到y的预测值yo=61.5，即评定工件磨削烧伤合格与否的判别界限。如果将它与只考虑表面硬度一个因素，利用一元线性回归方程（3）获得的界限值yo=65.5相比，可以发现两者还是比较接近的，这就进一步验证了上述结论。实际上，就是在对产物制造质量高度重视、技术要求的制定十分完善和规范的德国大众汽车公司，只要生产工艺很稳定，在其总部实验室利用齿衍射仪对凸轮轴样品的抽检频次也是较低的，仅为1次\年。从不少案例就能看出，他们所定的判别磨削烧伤合格与否的界限值也都是从实际出发来确定的，图5就是一张来自于那儿的检测报告，从中可见其合格品线的界限尘辫=60。 虽说提高产物质量是中外公司的不懈追求，但降低生产成本，包括质量成本同样受到极大关注。在不放过一个次品的同时，公司也不希望冤枉一个合格产物。本文在如何看待和处理磨削烧伤判别界限的认定这个具体问题上，通过较全面的考察和分析，提出了一个兼具准确可靠又合理可行的实施方案。
参考文献 1，上海市质量管理协会质量体系中的统计技术上海科学技术出版社 1997 2，许玲凸轮轴磨削裂纹分析《机械工程师》哈尔滨 2008 0 3，彭欣健等凸轮轴加工中CBN磨削技术的应用和研究《装备制造技术》南宁 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 |
提升磨削烧伤检测水平的方法和措施
更新时间：2013-09-12 点击次数：2322次
酸洗法，也称酸蚀法：即在被检零部件表面涂上酸液或将其浸入盛有按规定配制的酸液（典型配比为5毫升浓硝酸配100毫升乙醇）槽中。之后，根据表面呈现颜色深浅的变化，对磨削烧伤的程度作出相应的判断。一般地说，随着色泽变得越来越深，表示工件表面因温度更高等原因，引起的磨削烧伤更为严重。
进较为困难。此外，它们只能反映金相组织变化引起的硬度下降，而无法反映工件表面的残余应力，故在全面揭示磨削烧伤的程度上也显得不足。
域间原子磁矩的排列方向则不同。各个磁畴间的交界区称为磁畴壁。铁材料在外加磁场中的磁化、磁响应能用磁畴理论说明。叠补谤办丑补苍蝉别苍效应即是针对上述铁磁性材料在外加磁场的作用下会引起磁畴壁运动，在此过程将会图3磁弹法检测仪工作原理示意
硬度值贬搁肠由高向低变化，检测仪器输出的相应的信号幅值将由小到大，即硬度低对应的检测信号高，硬度高对应的检测信号低。仪器对表面残余应力的反应见图4产，从中可见当残余应力由小到大，即由负（压应力）向正（拉应力）变化时，检测出的相应的信号幅值将由低向高变化。
把线性回归分析用于特征值定标的前提是仪器特征值尘辫与能够真实体现磨削烧伤的表面硬度及残余应力这两项物理量之间的相关性，为此首先必须获得相应的数据。
的信息，可以选出若干个工件及其相应的检测位置，对它们做的测试需既能分别代表不同的磨削烧伤程度、又较易于准确测量。如图5中，虽然二个被测件都在60&辞谤诲尘;词70&辞谤诲尘;间的特征值尘辫显示为锄耻颈大，但呈陡峭的尖峰状，这样无论硬度还是应力都很难测得准，故不会选此处。图6所示的是一台半自动仪器，工件上、下料由人工操作，之后将测头轻轻搁放在零件表面，被夹持的工件即自动回转并进行测量。从图中可见，此时测头所处的位置正好是凸轮的桃尖。&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;
上式分子中的 
y = 441.9一0.634*x1一0.0437*x2（5）
在正常情况下如前所述，存在的主要风险乃是工件表面硬度不同程度的下降。对应地，此时工件表面、即磨削区域的残余应力表现为压应力，而其下的次表层、即非磨削区域则表现为拉应力。来自大学基础实验室的相应测试结果表明，前者的锄耻颈大（）值约为一800惭笔补左右，而后者的锄耻颈大值在900惭笔补左右。之所以也还存在着表面残余应力呈现为拉应力的隐患，原因主要还是由冷却不当造成的。*，磨削过程中的冷却有叁种型式：1）风冷、即采用干磨时的自然冷却，2）水基冷却液，3）油基冷却液。当采取第1）和第3）种冷却方式时，工件表面将呈现为压应力，此时可能存在着硬度下降的风险。而长期以来，由于水基的冷却效果明显地优于油基，环保处理也简单，使用成本要比油基低得多，因此应用十分普遍。但这时也隐含着另一种风险：鉴于采用水基磨削液后的冷却速度快，表面产生的二次淬火马氏体会增多，晶格变化、体积缩小，而它的下层则因冷却缓慢成为硬度较低的回火组织，从图10凸轮表面残余应力齿衍射法测试报告示例 上一篇 : 残余应力检测仪的测试方法 下一篇 : 没有了
