朱正德

(大眾動力總成(上海)有限公司，上海 201807)

1 關(guān)于磨削燒傷

磨削燒傷乃是由于工藝處置失當?shù)仍蚨谀ハ骷庸ず蟀l(fā)生在工件表面的一種隱性缺陷。

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(yè)內(nèi)的調(diào)研表明，迄今為止，多數(shù)企業(yè)的認識依然是比較欠缺的。事實上，大多數(shù)企業(yè)現(xiàn)今仍然選擇最傳統(tǒng)也最簡單的目視法，用于磨削燒傷的檢測與對燒傷程度的評價。歸納一下，企業(yè)現(xiàn)今可選擇和采用的方法主要有以下一些：

(1)目視法，也稱觀色法：由于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(如黃色、褐色、紫色、青色，最嚴重時為灰色等)與燒傷的程度相關(guān)。

(2)酸洗法：即根據(jù)被檢工件表面涂上酸液后所呈現(xiàn)顏色深淺的變化，來作出相應的判斷。

(3)金相測試法：通過實驗室里的精密儀器——金相顯微鏡進行金相組織測試，也是一種磨削燒傷的檢測手段，且能對燒傷的程度作出判別。

(4)硬度測試法：事實上，很多企業(yè)的圖紙對這項參數(shù)都有明確的要求，甚至還被分解到不同的功能段。以某型發(fā)動機的凸輪為例，其基圓部分為50-62HRC;桃尖為 56-62HRC;其他部分則不低于40HRC(見圖1)。但對這項抽檢客觀上所體現(xiàn)的監(jiān)測磨削燒傷的功能，企業(yè)尚缺乏足夠認識。

圖1 凸輪表面硬度測試

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，金相測試雖然較精確，可必須在實驗室利用專門的儀器，在進行檢測前還需經(jīng)過繁復的制樣，故不可能成為一種常規(guī)監(jiān)測方法。顯然，依據(jù)磨削燒傷的成因，真正能確切且定量地反映燒傷程度的參數(shù)是工件表面的硬度和殘余應力這二項。但行業(yè)調(diào)研表明，鑒于極大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品圖紙上既未標注殘余應力這項指標，也不具備在實驗室利用X射線衍射的方法進行檢測的能力，而面對硬度檢測也會碰到與金相測試類似的問題。故隨著對產(chǎn)品制造質(zhì)量的日趨重視，企業(yè)很期盼有一種能快速、有效地對磨損燒傷進行定量檢測的新手段。

2 基于Barkhansen原理的磨削燒傷檢測

傳統(tǒng)檢測方法的抽檢樣本小，欲對生產(chǎn)過程作出較確切的評價并予以改進較為困難。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殘余應力，故在全面揭示磨削燒傷的程度上也顯得不足。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，在此過程將會產(chǎn)生相應信號的一種物理表現(xiàn)。鑒于該信號乃是以磁場強度來表示的。而在發(fā)生磨削燒傷后的工件表層，其金相組織的變化及可能出現(xiàn)的殘余應力會引起這樣微觀形態(tài)的變化，“磁彈法”正是基于這一機理研制出的一種測試方法，通過在“門”形電感線圈施加激磁電壓，所形成的磁場在被測零件中所產(chǎn)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(chǎn)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(guān)，并在傳感頭中產(chǎn)生對應的檢測信號。該檢測信號經(jīng)放大和濾波等處理環(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下降和可能存在于表面的(殘余)拉應力，儀器對它們都能作出敏感的反映。圖2a中的橫坐標表示硬度值HRc，縱坐標表示輸出信號幅值。隨著被檢工件表面硬度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2b，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。上述為儀器特殊設(shè)計的激磁電路和傳感裝置產(chǎn)生的檢測信號，如圖2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、即磨削燒傷特征值mp來標志。mp與被檢測工件表面的狀態(tài)，如硬度的下降量和形成的殘余應力大小成比例，其數(shù)值能在儀器的屏幕上顯示。圖3是一典型檢測報告，圖中的曲線反映了實測結(jié)果，其縱坐標是反映磨削燒傷嚴重程度的mp值，橫坐標表示被測圖3采用磁彈法原理的儀器檢測報告示例工件的即時測試位置。兩條曲線表示二個凸輪的檢測結(jié)果，而橫坐標反映了回轉(zhuǎn)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

磁彈法本質(zhì)上屬于比較測量，故需解決定標問題，即在磨削燒傷嚴重程度表述已量值化的基礎(chǔ)上確定合格的邊界值。否則利用磁彈法就只能區(qū)分工件燒傷的嚴重程度，而無法對其合格與否作出判斷。圖3中，二個被測件顯示在60°～70°間的區(qū)域有超差情況，其依據(jù)即是由mp=60這條合格品線決定的界限。雖然儀器廠商根據(jù)實際情況一般還是建議用戶采用傳統(tǒng)的酸洗法，為此需先準備一批盡量覆蓋燒傷程度不同的樣品，在積累了一定的測得結(jié)果后，再按用戶的評定標準對其作出不同評價，再將介于合格/不合格臨界狀態(tài)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客觀上存在著不夠嚴謹、準確性欠缺的問題。

圖2 磁彈法對磨削燒傷后硬度及殘余應力的反映

圖3 采用磁彈法原理的儀器檢測報告示例

為此產(chǎn)生了把線性回歸分析方法用于磨削燒傷特征值定標的設(shè)想，為獲得相關(guān)數(shù)據(jù)而進行的實驗以某新型小排量發(fā)動機的凸輪為樣本。由于不同于其它類似的套裝式凸輪軸，這時的熱處理、磨削工序乃是在單個的凸輪上進行的，這為之后的表面硬度、殘余應力測試帶來了方便，也提高了準確性。實驗的第一步是采集樣本數(shù)據(jù)，遵循上述“盡量覆蓋燒傷程度不同的工件”的原則，先選取一批單個凸輪，然后在執(zhí)行磁彈法原理的儀器上逐個進行測量，再利用從多楨圖2那般的報告中所獲得的信息，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。對上述用于試驗的凸輪，圖紙所示表面硬度要求：HV(10)600+200，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，近幾年已有少數(shù)發(fā)動機廠增添了這項指標，圖紙對上述凸輪的要求：500≥MPa，即其表面的殘余(拉)應力不能大于500毫帕(MPa)。其測定采用X衍射法，圖4是利用儀器對凸輪表面殘余應力檢測的實景。經(jīng)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(shù)據(jù)匯總見表1。

圖4 X衍射法測定凸輪表面殘余應力示意

回歸分析是通過獨立收集的n組實驗數(shù)據(jù)，分析研究隨機變量(此處為質(zhì)量特征量)與自變量(原因變量)之間的相關(guān)關(guān)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。鑒于多數(shù)國內(nèi)外主流發(fā)動機企業(yè)的實驗室都不配備X衍射儀，但硬度測試手段則都具備，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(jié)果的可靠性，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(shù)據(jù)進行線性相關(guān)關(guān)系驗證，并以求得的相關(guān)系數(shù)r判斷兩組變量間線性相關(guān)的程度。相關(guān)系數(shù)r的定義為：兩個隨機變量的協(xié)方差與它們的標準偏差乘積之比值，可根據(jù)有限次測量所得的數(shù)據(jù)求得其估計值。按表1中的兩組測得數(shù)據(jù)，可以利用(德)Q_DAS公司的destra軟件求得相關(guān)系數(shù)r的值，r是一個絕對值不大于1的常數(shù)，其大小決定了兩組數(shù)值間線性相關(guān)的程度，在本例中，r=0.9806，表明兩個變量間呈正強相關(guān)。與此同時，軟件還會生成儀器的檢測信號mp和工件表面硬度兩者之間的定量關(guān)系表達式，即一元線性回歸方程：

圖5 散點圖和回歸直線

把凸輪表面硬度名義值HV(10)600作為給定的x10值代入式(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(jié)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。

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，對表1中的實驗數(shù)據(jù)通過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(guān)系表達式，即二元線性回歸方程如下：

按表1的三組數(shù)據(jù)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6。把圖中的回歸平面同時投射到與底面相垂直的兩相鄰面，所獲得的二條曲線符合之前表述的硬度、殘余應力與信號mp幅值關(guān)系。為了表明在給定的顯著性水平α=0.05上，方程(4)是有意義的，可運用t假設(shè)檢驗這一判別準則，對其做顯著性檢驗。查表得t0.025(6－2)=2.776，其中0.025是α/2，而6是數(shù)據(jù)數(shù)量，2是自由度。應用destra軟件，依據(jù)實驗所得到的x1、x2數(shù)據(jù)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，表明上述式(5)是有實際應用意義的。于是就可以在給定了自變量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，在代入x1的值x10=600和x2的值x20=500后，可得y的預測值：

經(jīng)計算后可得yo=40.18，即評定工件磨削燒傷合格與否的界限。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(qū)間(yo－δ，yo+δ)，為(40.18 ～7.40，40.18+7.40)，即(32.78，47.58)。

4 表面硬度、殘余應力兩因素對磨削燒傷特征量定標的影響分析

分別按一元和多元線性回歸方法進行特征量mp的定標，由于前者只考慮了表面硬度一項，其合格界限值mp1=65.5，較后者還同時考慮了表面殘余應力MPa時所獲得的界限值mp2=40.18來得高就完全可以理解。顯然，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，同一被測件若在儀器的測得值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。因此，執(zhí)行較低的界限值mp2會對受監(jiān)控的產(chǎn)品制造質(zhì)量更安全。

圖6 散點圖和回歸平面

正常情況下，工件表面、即磨削區(qū)域的殘余應力表現(xiàn)為壓應力，而其下的次表層、即非磨削區(qū)域則表現(xiàn)為拉應力。之所以存在著殘余應力為拉應力的隱患，原因主要還是由冷卻不當?shù)纫蛩卦斐傻?。眾所周知，磨削過程中的冷卻有三種型式：①風冷;②水基冷卻液;③油基冷卻液。當采取第①、③時，表面將呈現(xiàn)壓應力，此時可能存在著硬度下降的風險。而由于水基的冷卻效果明顯，因此應用更普遍。但因采用水基磨削液后冷卻速度快，表面產(chǎn)生的二次淬火馬氏體會增多，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，從而增大了表面產(chǎn)生拉應力的傾向。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(xiàn)裂紋。然而隨著越來越多企業(yè)采用 CBN磨削技術(shù)，上述隱患正在減小。CBN磨料硬度和強度更高，切削鋒利且耐磨，具備了優(yōu)化各種磨削參數(shù)的條件。由于明顯地減小了磨削力和磨削熱，從而使工件表面溫度相應下降。此外，近年來一些企業(yè)在磨削加工時也開始由油基冷卻液逐漸取代水基的，而執(zhí)行干磨工藝的企業(yè)也在增多。因此工件表面磨削燒傷表現(xiàn)為殘余拉應力的可能和風險遠低于硬度的下降。實驗室對取自一線工件的測試結(jié)果驗證了這一點，見圖7，圖中的縱坐標為應力(MPa)，橫坐標為自表面往下的深度(mm)。由圖可見，工件表面、即磨削區(qū)為壓應力，而之下的次表層、即非磨削區(qū)為拉應力。圖7顯示的是德國大眾企業(yè)生產(chǎn)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(nèi)另一家廠的類似產(chǎn)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(jīng)圖4同品牌的X衍射儀的檢測，獲得的結(jié)果同圖7相似，工件表面殘余應力的實測值為一500MPa左右。

圖7 凸輪表面殘余應力x衍射法測試報告示例

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力這一因素，但只要實際運行的工藝是穩(wěn)定的，并能認真履行所制定的其他日常檢測、監(jiān)控措施，也還是能較有效地實現(xiàn)相應的質(zhì)量目標的。再回到前面的二元線性回歸方程(3)，事實上，工件表面出現(xiàn)500MPa殘余拉應力的機率極小，雖然也難以保證處于某一額定的壓應力水平，但至少可確定不應出現(xiàn)拉應力。故在利用方程(3)做類似前面的磨削燒傷特征量mp預測時，仍然給定自變量x1的值x10=600，但x2則改為x20=0，經(jīng)代入計算：yo=441.9－0.634*x10，可得圖7凸輪表面殘余應力X衍射法測試報告示例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。若將它與只考慮表面硬度一個因素，利用一元回歸方程(3)獲得的界限值yo=65.5相比，可以發(fā)現(xiàn)兩者還比較接近，這就進一步驗證了上述結(jié)論。實際上，就是在對質(zhì)量高度重視、技術(shù)要求的制定十分完善和規(guī)范的德國大眾汽車公司，只要生產(chǎn)工藝穩(wěn)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(fā)來確定的，圖3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。

5 結(jié)論

提高產(chǎn)品質(zhì)量雖是中外企業(yè)的不懈追求，但降低生產(chǎn)成本，包括質(zhì)量成本同樣受到極大關(guān)注。在不放過一個次品的同時，企業(yè)也不希望冤枉一個合格產(chǎn)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。

［1］上海市質(zhì)量管理協(xié)會.質(zhì)量體系中的統(tǒng)計技術(shù)［M］.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1997.

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