唐澄文,劉明月,謝繼強(qiáng)

(中國(guó)航發(fā)中傳機(jī)械有限公司,長(zhǎng)沙 410200)

磨削燒傷會(huì)造成鋼制件表面的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能指標(biāo)下降，影響鋼制件的性能和使用壽命。因此，航空齒輪等表面質(zhì)量要求高的鋼制件產(chǎn)品均有磨削燒傷檢測(cè)的要求。

常用的磨削燒傷檢測(cè)方法為常規(guī)酸蝕檢測(cè)法。鋼制件經(jīng)指定的酸溶液處理后，燒傷區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)出特定的顏色，根據(jù)顏色深淺和分布即可評(píng)判磨削燒傷的位置和程度。酸蝕檢測(cè)法具有快速、直觀等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)零件表面質(zhì)量(尺寸、粗糙度)有影響，不適用于超精加工構(gòu)件的檢測(cè)。巴克豪森噪聲(也稱(chēng)磁彈法)是一種利用巴克豪森噪聲原理實(shí)現(xiàn)磨削燒傷缺陷無(wú)損檢測(cè)的方法[1-2]，是超精加工表面燒傷檢測(cè)的有效方法。

文章制作了不同磨削程度的9310鋼磨削燒傷試樣，先后用酸蝕檢測(cè)法和磁彈法對(duì)制備的試樣進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比分析，計(jì)算出了適用于經(jīng)滲碳淬火處理后的9310鋼磨削燒傷檢測(cè)的最佳磁化電壓，確定了磨削燒傷缺陷評(píng)定的特征磁致彈性參數(shù)MP值。

1 試樣制備

試驗(yàn)加工了至少10根規(guī)格為30 mm×120 mm(直徑×長(zhǎng)度)的9310鋼圓棒試樣，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/301B 321C-2014 《滲碳、碳氮共滲工藝說(shuō)明書(shū)》 對(duì)其進(jìn)行滲碳淬火處理[滲層深度不小于0.85 mm，表面硬度不小于82(HRA)]，然后按不同的磨削參數(shù)加工，制備成含有不同程度燒傷缺陷的試樣。

2 試樣磨削燒傷評(píng)級(jí)

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/301B 375H-2020 《硝酸乙醇酸蝕檢驗(yàn)規(guī)范》 對(duì)試樣進(jìn)行酸蝕檢測(cè)，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果選出4種不同等級(jí)的燒傷試樣或燒傷區(qū)域，分別為無(wú)燒傷、輕微回火燒傷、中度回火燒傷、嚴(yán)重回火燒傷試樣或區(qū)域，評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。試驗(yàn)要求同一燒傷區(qū)域內(nèi)試樣的燒傷程度均勻，燒傷區(qū)域?qū)挾炔恍∮跍y(cè)頭(測(cè)量探頭)尺寸。不同等級(jí)的燒傷外觀如圖1所示。

表1 磨削燒傷評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 不同等級(jí)的燒傷外觀

3 磁彈法檢測(cè)

3.1 磁彈法檢測(cè)原理

根據(jù)巴克豪森噪聲原理[1-4]，鐵磁性材料內(nèi)部包含許多磁疇，在磁化過(guò)程中磁疇壁會(huì)前后移動(dòng)，如果在磁疇壁發(fā)生移動(dòng)的過(guò)程中，在樣品附近放置一個(gè)導(dǎo)電線圈，則線圈中會(huì)產(chǎn)生電脈沖現(xiàn)象。由電感線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)作用于被檢工件，進(jìn)而在傳感器中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等處理，可得到MP值。MP值一般用所測(cè)巴克豪森噪聲信號(hào)電壓值的均方根表示，其大小與磁化功率、材料晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)和殘余應(yīng)力等因素有關(guān)。相關(guān)研究表明，MP值與表面顯微硬度和殘余應(yīng)力存在近似線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可用其量化表征試樣的磨削燒傷程度。

3.2 磁彈法檢測(cè)設(shè)備

磁彈法檢測(cè)設(shè)備選用Rollscan350型磨削燒傷檢測(cè)儀，磁化電壓為016 V，配備有適用于外圓測(cè)量的平面探頭，其工作原理如圖2所示。設(shè)定磁化電壓和頻率等參數(shù)后，根據(jù)巴克豪森噪聲原理，主機(jī)內(nèi)的磁激勵(lì)單元D1會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的交變磁場(chǎng)并通過(guò)測(cè)頭D4內(nèi)的傳感器作用于工件P1的表面，接觸表面被磁化后，其內(nèi)部的磁疇壁發(fā)生移動(dòng)，反作用于測(cè)頭D4內(nèi)的導(dǎo)電線圈，此時(shí)線圈產(chǎn)生巴克豪森噪聲信號(hào)并通過(guò)線纜T1傳回主機(jī)，再經(jīng)過(guò)主機(jī)的信號(hào)處理單元D2進(jìn)行放大和濾波處理，形成MP值曲線并由主機(jī)的信號(hào)顯示單元D3輸出顯示。MP值曲線還可以通過(guò)線纜T2導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)的專(zhuān)業(yè)軟件中進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。磁彈法檢測(cè)設(shè)備外觀如圖3所示。

圖2 磁彈法檢測(cè)設(shè)備的工作原理

圖3 磁彈法檢測(cè)設(shè)備外觀

3.3 關(guān)鍵參數(shù)確定

3.3.1 磁化電壓

磁彈法以MP值來(lái)反映工件磨削燒傷的程度，本質(zhì)上是一種比較測(cè)量的方式，不同磁化電壓測(cè)得的MP值不同(見(jiàn)圖4，圖中實(shí)橫線為臨界線，虛線為警告線，下同)。磁化電壓是影響檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)，使用過(guò)低的磁化電壓會(huì)導(dǎo)致巴克豪森信號(hào)水平過(guò)低，使正常區(qū)域與燒傷區(qū)域檢測(cè)得到的MP值差異減小，檢測(cè)靈敏度降低；使用過(guò)高的磁化電壓可能會(huì)導(dǎo)致試樣或探頭達(dá)到磁飽和狀態(tài)，削弱測(cè)量時(shí)的靈敏度。 因此，為取得高的檢測(cè)靈敏度，需找到最優(yōu)的磁化電壓。

圖4 不同磁化電壓下的MP值曲線

對(duì)于滲碳淬火后的9310鋼，通過(guò)磁化電壓掃描法和對(duì)比法計(jì)算可獲得最佳的磁化電壓，步驟如下所述。

(1) 在磁化電壓掃描模式下對(duì)試樣1進(jìn)行檢測(cè)，在此過(guò)程中磁化電壓從0 V開(kāi)始緩慢增大到允許的最大磁化電壓16 V，磁化頻率保持不變(125 Hz)，得到的MP值曲線如圖5所示，可見(jiàn)，隨著磁化電壓的增大，MP值先緩慢增大，當(dāng)磁化電壓增至4 V時(shí)，MP值隨著電壓的增大快速增大；當(dāng)磁化電壓升至12 V時(shí)，隨著電壓的增大，MP值增大的速率變得緩慢。最佳磁化電壓的選擇應(yīng)為試樣達(dá)到磁飽和前的最高電壓。該試樣的磁化電壓掃描結(jié)果中并未顯示出明顯的磁飽和現(xiàn)象，因此，對(duì)其檢測(cè)時(shí)需選擇較大的磁化電壓(1216 V)。

圖5 試樣1磁化電壓掃描法得到的MP值曲線

(2) 為進(jìn)一步精確磁化電壓，試驗(yàn)使用雙樣品法來(lái)確定滲碳淬火狀態(tài)下9310鋼的最佳磁化電壓。分別選取試樣1(A級(jí) 無(wú)燒傷)和試樣4(D級(jí) 嚴(yán)重?zé)齻?，逐步調(diào)整磁化電壓，使其從12 V緩慢增大至16 V，使用靜態(tài)測(cè)量法獲取兩個(gè)樣品在不同磁化電壓下的MP值，計(jì)算相同電壓下兩個(gè)樣品MP值的比值(試樣4的MP值/試樣1的MP值)，當(dāng)比值最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁化電壓即最佳磁化電壓。兩個(gè)樣品不同磁化電壓下的MP值及其比值如表2所示。

由表2可知，當(dāng)磁化電壓為14 V時(shí)，MP值的比值達(dá)到最大，正常區(qū)域與嚴(yán)重?zé)齻麉^(qū)域的MP值離散程度最大，此時(shí)檢測(cè)靈敏度最高。因此，該狀態(tài)下9310鋼的最佳磁化電壓應(yīng)為14 V。

表2 兩個(gè)樣品不同磁化電壓下的MP值及其比值

3.3.2 缺陷評(píng)定

確定磁化電壓后，還需解決MP值的評(píng)定問(wèn)題。調(diào)整磁化電壓至最優(yōu)的14 V，對(duì)所有試樣進(jìn)行磁彈法檢測(cè)，每個(gè)試樣檢測(cè)3次。不同磨削燒傷等級(jí)試樣磁彈法檢測(cè)得到的MP值曲線如圖6所示。

由圖6可知，試樣1(無(wú)燒傷)的MP值為7095，試樣2(輕微燒傷)的MP值為130180，試樣3(中度燒傷)的MP值為190225。試樣4(嚴(yán)重?zé)齻?的MP值為190255，可見(jiàn)，不同磨削燒傷等級(jí)與MP值有著較明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

為準(zhǔn)確判斷零件是否存在燒傷，還需找到對(duì)應(yīng)的臨界MP值，選定合適的拒收線。臨界MP值的選定主要有以下兩種方法：① 通過(guò)收集介于合格與不合格零件的MP值來(lái)確定臨界值；② 將零件分為不同的等級(jí)，將MP值的最大值與平均值的比值作為零件合格與否的判定條件，零件等級(jí)不同對(duì)應(yīng)的比值不同。文章采用方法①，對(duì)輕微燒傷區(qū)域的邊緣進(jìn)行檢測(cè)，將介于合格與不合格臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的MP值作為合格與否的邊界值，確定了磁化電壓為14 V時(shí)，經(jīng)滲碳淬火后的9310鋼磨削燒傷臨界MP值為110。

4 產(chǎn)品檢測(cè)

選取1個(gè)零件產(chǎn)品，型號(hào)為XX.66.3013，材料為9310鋼，熱處理方式為滲碳淬火，使用磁彈法檢測(cè)其一端軸外圓的磨削燒傷，磁化電壓為14 V，磨削燒傷評(píng)定MP值為110。在磁彈法檢測(cè)后再對(duì)該零件進(jìn)行酸蝕檢測(cè)，兩種檢測(cè)方法得到的MP值曲線如圖7所示。

由圖7可知，磁彈法檢測(cè)結(jié)果顯示部分區(qū)域的MP值已超出臨界，即表示零件外圓存在磨削燒傷，與酸蝕檢測(cè)結(jié)果一致，且磁彈法檢測(cè)過(guò)程對(duì)零件完全無(wú)損。

圖6 不同磨削燒傷等級(jí)試樣磁彈法檢測(cè)得到的MP值曲線

圖7 零件酸蝕檢測(cè)與磁彈法檢測(cè)得到的MP值曲線

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 磁彈法檢測(cè)結(jié)果與酸蝕檢測(cè)結(jié)果一致，是可用于齒輪等超精加工鋼制件表面磨削燒傷檢測(cè)的替代方法。

(2) 研究了應(yīng)用磁彈法檢測(cè)9310鋼磨削燒傷時(shí)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的確定方法。通過(guò)磁化電壓掃描和雙試樣對(duì)比法得到最佳磁化電壓為14 V；通過(guò)制備不同程度的磨削燒傷試樣并對(duì)其酸蝕檢測(cè)和磁彈法檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定了滲碳淬火后9310鋼的磨削燒傷臨界MP值為110。