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磁彈法：檢查零部件表面磨削燒傷的新方法
磨削燒傷及其常用檢查方法
在機械類產(chǎn)品中，很多重要零部件如軸承、齒輪、曲軸、凸輪軸、活塞銷和萬向節(jié)等，在熱處理之后均需經(jīng)過磨削加工。相比之下，磨削時單位切削面積上的功率消耗遠遠超過其它加工方法，所轉(zhuǎn)化熱量的大部分會進入工件表面，因此容易引起加工面金相組織的變化。在工藝參數(shù)、冷卻方法和磨料狀態(tài)選擇不當?shù)那闆r下，工件在磨削過程中極易出現(xiàn)相當深的金相組織變化層(即回火層)，并伴隨出現(xiàn)很大的表面殘余應力，甚至導致出現(xiàn)裂紋，這就是所謂的磨削燒傷問題。
零部件的表面層燒傷將使產(chǎn)品性能和壽命大幅度地下降，甚至根本不能使用，造成嚴重的質(zhì)量問題。為此，生產(chǎn)企業(yè)一方面通過執(zhí)行正確、科學的工藝規(guī)范，減輕和避免出現(xiàn)磨削燒傷現(xiàn)象；另一方面，加強對零部件的檢驗，及時發(fā)現(xiàn)不合格工件，并判斷正在進行的磨削工藝狀況。
但長期以來，對工件表面磨削燒傷的檢驗，除了最簡單的目測法外，就是采用已延續(xù)多年的傳統(tǒng)方法——酸洗法，即在被檢零部件表面涂上酸液或?qū)⑵浣胧⒂邪匆?guī)定配制的酸液槽中。之后(或在把工件取出后)，根據(jù)表面呈現(xiàn)的不同顏色，對磨削燒傷的程度作出相應的判斷。一般地說，若色澤沒有變化，就表明情況正常；而當顏色變成灰色，則說明已有燒傷情況存在，隨著色澤變得越來越深，表示工件表面因溫度更高，引起的磨削燒傷更為嚴重。
傳統(tǒng)檢查方法雖然簡單易行，但有著很大的局限性，主要是工件表面經(jīng)酸液浸蝕，即使為無問題的零部件，也不能再予以使用。傳統(tǒng)方法執(zhí)行的實際上是一種破壞性檢查。
從以上描述可知，酸洗法本質(zhì)上屬于定性檢查，難以對磨損燒傷程度做出定量的說明。
鑒于上面兩點，采取傳統(tǒng)方法時，只能采用抽檢的方式，且樣本很小，欲對所執(zhí)行的工藝過程作出較確切的評價并予以改進是很困難的。
理論表明，酸洗法檢驗只能反映因金相組織結(jié)構變化引起的硬度下降這種情況，對于工件表面存在的殘余應力則無法反映，放在全面揭示磨削燒傷的程度上顯得不足。
另一方面，由于使用了酸液，企業(yè)增加了消除環(huán)境污染的負擔；傳統(tǒng)檢查方法的規(guī)范化可靠性水平較低，更難以制定可操作性強的評定標準。
一種新穎、高效的磨削燒傷檢測方法——磁彈法
工作原理
磁彈法即BN法(BarkhansenNoise Method)，是以1919年發(fā)現(xiàn)的物理學Barkhansen效應為基礎開發(fā)的一種測試方法，它能有效地對磨削燒傷進行測試。近年來，利用磁彈法研制的測試儀器已在零部件表面磨削燒傷檢測中逐步得到應用，并充分顯現(xiàn)出優(yōu)越性。
(a) (b)
1 BN法檢測儀器工作原理示意圖
眾所周知，出現(xiàn)磨削燒傷的那些零部件，主要由鐵磁性材料制成。在正常情況下，其磁序(體現(xiàn)在多晶體的磁疇結(jié)構里)呈有規(guī)則的排列。但如前所述，磨削燒傷后產(chǎn)生的金相組織變化及可能出現(xiàn)的很大殘余應力都將引起磁疇結(jié)構內(nèi)的磁序變化。Barkhansen效應指出，矯頑(磁)力，即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)構錯位和殘余應力等的程度有關的。利用BN法探測被檢零部件表面磨削燒傷的機理就在于此。圖1是在BN法基礎上開發(fā)的檢測儀器的工作原理示意圖。
圖1a中，“門”形電感線圈形成的磁場在被測鋼件中所產(chǎn)生的效應取決于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測頭在測試區(qū)域的感應線圈中產(chǎn)生相應的電信號，而這一信號直接與工件磨削燒傷的程度有關。圖1b是據(jù)此研制的測試儀器的組成框圖，箭頭反映了整個工作過程：由電感線圈引起相應的作用磁場，通過被檢工件，進而在傳感頭中產(chǎn)生對應的檢測信號(稱為B信號)，該B信號經(jīng)過放大和濾波等處理環(huán)節(jié)，最后被顯示和輸出。
(a)幅值－硬度圖 b)幅值－應力圖
圖2 BN法檢測儀器能夠敏感反映出磨削燒傷的硬度及殘余應力變化
磨削燒傷的物理表現(xiàn)主要是因表面金相組織結(jié)構變化產(chǎn)生回火層所引起的硬度下降，以及在表面出現(xiàn)的殘余應力(拉應力)。圖1所示的檢測儀器對它們都能作出敏感的反映(見圖2)。圖2a中的橫坐標表示硬度值Rc，而縱坐標表示輸出的B信號幅值。隨著被檢工件表面硬度值Rc由高向低變化，檢測儀器輸出的相應B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，檢測儀器輸出的相應B信號幅值將由低向高變化。
評定特征值mp及其定標
上述由儀器特殊設計的激磁電路和傳感裝置產(chǎn)生的檢測信號，乃是Barkhansen磁彈法效應的一種量化表達，以特征值mn(magnetoelastic parameter)標志。mp與被檢測工件表面的變異狀態(tài)，如殘余應力成比例，其數(shù)值能在儀器的屏幕上顯示、輸出。但利用mp來反映工件磨削燒傷的程度從本質(zhì)上來說是一種比較測量的方式，為了能夠真正地對其做準確的定量描述，還必須解決“定標”的問題。定標包括二項內(nèi)容：①確定不合格品的界限。有目的地制作一批樣品，其中包括有一些磨削燒傷程度不同的工件，利用酸洗法按用戶的評定標準對它們作出不同的判斷后，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不合格的界限；②進行校準。校準就是找出特征值mp與采用酸洗法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(shù)MAGN，并利用儀器控制面板上的撥盤予以設置，MGAN值的范圍從0到99，一般尾數(shù)取5或0。為此，可在前面的樣品中找二根表面狀態(tài)差異較大的工件，選定工件上的某一位置，在檢測儀器上的MGAN取值間隔為5或10時，以靜態(tài)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，在MGAN為40時又得到2個，直到MGAN=90。兩兩相減后必然能得到一個最大值，以這時的MGAN值作為相關系數(shù)，在面板上予以設置。
注意：在實際執(zhí)行“定標”時，也可先利用第一項中的樣件求得相關系數(shù)MGAN，然后再找出不合格品界限。否則，在前一項操作中，會由于任意設置的MGAN(一般取50或60)給界限值帶來一些偏差。
應用實例
盡管在汽車行業(yè)中，不少場合都可以采用這種以BN法為基礎研制的磨削燒傷測試儀器，但相比之下，對發(fā)動機凸輪軸中各擋凸輪的檢測是用的最多的。這一方面是因凸輪乃承重件，工作條件差；另一方面是由于凸輪圓周方向不同曲率半徑的特點可能會造成磨削過程中表面狀態(tài)的差異，在這種情況下，出現(xiàn)磨削燒傷的機率會增大。
1.機體 2.傳感器和交臂 3.驅(qū)動頂尖 4.死頂尖(尾架) 5.軸向定位器 6.尾架手柄 7.軸向定位器固定捏手 8.導向銷 9.限位螺絲 10.停止擋塊
圖3 BN法磨削燒傷測試儀器示意圖
圖3為該儀器示意圖，它是一種高效率半自動檢測設備，很適合于在批量生產(chǎn)條件下的汽車發(fā)動機廠、內(nèi)燃機廠使用。首先，針對不同的凸輪軸，需配備一根精確加工的軸向定位器，其縱向開有一排缺口，每個缺口對應一個被檢凸輪。在開始測量前，必須仔細調(diào)整其在機體上的位置，在確保傳感器支臂嵌入任一缺口時，測頭正好對準相應凸輪，此時就可以利用帶捏手的螺釘，把軸向定位器固定在機體上。操作者在啟動設備后，被測工件即在驅(qū)動頂尖帶動下開始旋轉(zhuǎn)，此時，操作者只要簡單地提起傳感器支臂上的手柄，使傳感器沿著機身上的一圓柱導軌移動，當?shù)竭_第一個被檢凸輪時，輕輕地放入手柄。在手柄嵌入定位器缺口的同時，測頭在測力彈簧作用下壓在凸輪表面，隨著工件的回轉(zhuǎn)實施動態(tài)檢測。期間，連續(xù)輸出的BN信號會在設備一側(cè)的控制柜顯示屏上以曲線形式呈現(xiàn)。當完成一周的測試后，操作者再次提起傳感器支臂上的手柄，使測頭脫離第一個被檢凸輪，移動至下一個進行測量，直到全部凸輪測畢，返回起點。
盡管只是一臺半自動設備，但操作便捷，效率很高，檢查一個工件，如一根四缸發(fā)動機的凸輪軸，包括裝卸也不到2分鐘。
目前，以磁彈法原理為基礎研制的這類新型磨削燒傷檢測儀器已經(jīng)產(chǎn)品化，在很多行業(yè)得到了成功的應用。針對不同被測工件的特征和各個用戶的需要，這類新型檢測儀器可設計、制造成不同的型式，有逐點測量的靜態(tài)方式，也有上述那種連續(xù)動態(tài)測量方式。至于儀器能探測的深度，取決于實際被檢工件材料的導電率、導磁率以及所確定的激磁頻率。儀器都配兩種激磁頻率，3-15kHz和70～200kHz。按磁彈法原理研制的這類新型儀器的檢查深度一般范圍為0.01～1.5mm，但通常工件表面磨削燒傷發(fā)生的深度是0.02～0.2mm。
國內(nèi)在這方面雖剛剛起步，但已經(jīng)采用的場合除了上述汽車發(fā)動機行業(yè)的凸輪軸外，還有軸承行業(yè)中的套圈，顯示了相當廣闊的前景。
本文作者:大眾動力總成(上海)有限公司 朱正德
原載:《工具展望》2006年第1期/《中國機械與金屬》2006年3月號
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