磁弹法:检查零部件表面磨削烧伤的新方法
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磨削烧伤及其常用检查方法

在机械类产品中,很多重要零部件如轴承、齿轮、曲轴、凸轮轴、活塞销和万向节等,在热处理之后均需经过磨削加工。相比之下,磨削时单位切削面积上的功率消耗远远超过其它加工方法,所转化热量的大部分会进入工件表面,因此容易引起加工面金相组织的变化。在工艺参数、冷却方法和磨料状态选择不当的情况下,工件在磨削过程中极易出现相当深的金相组织变化层(即回火层),并伴随出现很大的表面残余应力,甚至导致出现裂纹,这就是所谓的磨削烧伤问题。
零部件的表面层烧伤将使产品性能和寿命大幅度地下降,甚至根本不能使用,造成严重的质量问题。为此,生产企业一方面通过执行正确、科学的工艺规范,减轻和避免出现磨削烧伤现象;另一方面,加强对零部件的检验,及时发现不合格工件,并判断正在进行的磨削工艺状况。
但长期以来,对工件表面磨削烧伤的检验,除了最简单的目测法外,就是采用已延续多年的传统方法——酸洗法,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槽中。之后(或在把工件取出后),根据表面呈现的不同颜色,对磨削烧伤的程度作出相应的判断。一般地说,若色泽没有变化,就表明情况正常;而当颜色变成灰色,则说明已有烧伤情况存在,随着色泽变得越来越深,表示工件表面因温度更高,引起的磨削烧伤更为严重。
传统检查方法虽然简单易行,但有着很大的局限性,主要是工件表面经酸液浸蚀,即使为无问题的零部件,也不能再予以使用。传统方法执行的实际上是一种破坏性检查。
从以上描述可知,酸洗法本质上属于定性检查,难以对磨损烧伤程度做出定量的说明。
鉴于上面两点,采取传统方法时,只能采用抽检的方式,且样本很小,欲对所执行的工艺过程作出较确切的评价并予以改进是很困难的。
理论表明,酸洗法检验只能反映因金相组织结构变化引起的硬度下降这种情况,对于工件表面存在的残余应力则无法反映,放在全面揭示磨削烧伤的程度上显得不足。
另一方面,由于使用了酸液,企业增加了消除环境污染的负担;传统检查方法的规范化可靠性水平较低,更难以制定可操作性强的评定标准。

一种新颖、高效的磨削烧伤检测方法——磁弹法

  1. 工作原理
    磁弹法即BN法(BarkhansenNoise Method),是以1919年发现的物理学Barkhansen效应为基础开发的一种测试方法,它能有效地对磨削烧伤进行测试。近年来,利用磁弹法研制的测试仪器已在零部件表面磨削烧伤检测中逐步得到应用,并充分显现出优越性。

    (a)

    (b)
    图1 BN法检测仪器工作原理示意图
    众所周知,出现磨削烧伤的那些零部件,主要由铁磁性材料制成。在正常情况下,其磁序(体现在多晶体的磁畴结构里)呈有规则的排列。但如前所述,磨削烧伤后产生的金相组织变化及可能出现的很大残余应力都将引起磁畴结构内的磁序变化。Barkhansen效应指出,矫顽(磁)力,即改变被颠倒极性所需要的磁场强度是与铁磁性材料晶格结构错位和残余应力等的程度有关的。利用BN法探测被检零部件表面磨削烧伤的机理就在于此。图1是在BN法基础上开发的检测仪器的工作原理示意图。
    图1a中,“门”形电感线圈形成的磁场在被测钢件中所产生的效应取决于工件表面磨削烧伤的实际状况,而由此在工件周围所形成的磁场又会使测头在测试区域的感应线圈中产生相应的电信号,而这一信号直接与工件磨削烧伤的程度有关。图1b是据此研制的测试仪器的组成框图,箭头反映了整个工作过程:由电感线圈引起相应的作用磁场,通过被检工件,进而在传感头中产生对应的检测信号(称为B信号),该B信号经过放大和滤波等处理环节,最后被显示和输出。

    (a)幅值-硬度图

    (b)幅值-应力图
    图2 BN法检测仪器能够敏感反映出磨削烧伤的硬度及残余应力变化
    磨削烧伤的物理表现主要是因表面金相组织结构变化产生回火层所引起的硬度下降,以及在表面出现的残余应力(拉应力)。图1所示的检测仪器对它们都能作出敏感的反映(见图2)。图2a中的横坐标表示硬度值Rc,而纵坐标表示输出的B信号幅值。随着被检工件表面硬度值Rc由高向低变化,检测仪器输出的相应B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2b,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,检测仪器输出的相应B信号幅值将由低向高变化。
  2. 评定特征值mp及其定标
    上述由仪器特殊设计的激磁电路和传感装置产生的检测信号,乃是Barkhansen磁弹法效应的一种量化表达,以特征值mn(magnetoelastic parameter)标志。mp与被检测工件表面的变异状态,如残余应力成比例,其数值能在仪器的屏幕上显示、输出。但利用mp来反映工件磨削烧伤的程度从本质上来说是一种比较测量的方式,为了能够真正地对其做准确的定量描述,还必须解决“定标”的问题。定标包括二项内容:①确定不合格品的界限。有目的地制作一批样品,其中包括有一些磨削烧伤程度不同的工件,利用酸洗法按用户的评定标准对它们作出不同的判断后,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mp值,然后取其平均值作为不合格的界限;②进行校准。校准就是找出特征值mp与采用酸洗法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MAGN,并利用仪器控制面板上的拨盘予以设置,MGAN值的范围从0到99,一般尾数取5或0。为此,可在前面的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,在检测仪器上的MGAN取值间隔为5或10时,以静态方法读出二组对应的mp值,如 MGAN为30时,在二个工件上测出2个mp值,在MGAN为40时又得到2个,直到MGAN=90。两两相减后必然能得到一个最大值,以这时的MGAN值作为相关系数,在面板上予以设置。
    注意:在实际执行“定标”时,也可先利用第一项中的样件求得相关系数MGAN,然后再找出不合格品界限。否则,在前一项操作中,会由于任意设置的MGAN(一般取50或60)给界限值带来一些偏差。

应用实例

尽管在汽车行业中,不少场合都可以采用这种以BN法为基础研制的磨削烧伤测试仪器,但相比之下,对发动机凸轮轴中各挡凸轮的检测是用的最多的。这一方面是因凸轮乃承重件,工作条件差;另一方面是由于凸轮圆周方向不同曲率半径的特点可能会造成磨削过程中表面状态的差异,在这种情况下,出现磨削烧伤的机率会增大。

1.机体 2.传感器和交臂 3.驱动顶尖 4.死顶尖(尾架) 5.轴向定位器 6.尾架手柄 7.轴向定位器固定捏手 8.导向销 9.限位螺丝 10.停止挡块
图3 BN法磨削烧伤测试仪器示意图
图3为该仪器示意图,它是一种高效率半自动检测设备,很适合于在批量生产条件下的汽车发动机厂、内燃机厂使用。首先,针对不同的凸轮轴,需配备一根精确加工的轴向定位器,其纵向开有一排缺口,每个缺口对应一个被检凸轮。在开始测量前,必须仔细调整其在机体上的位置,在确保传感器支臂嵌入任一缺口时,测头正好对准相应凸轮,此时就可以利用带捏手的螺钉,把轴向定位器固定在机体上。操作者在启动设备后,被测工件即在驱动顶尖带动下开始旋转,此时,操作者只要简单地提起传感器支臂上的手柄,使传感器沿着机身上的一圆柱导轨移动,当到达第一个被检凸轮时,轻轻地放入手柄。在手柄嵌入定位器缺口的同时,测头在测力弹簧作用下压在凸轮表面,随着工件的回转实施动态检测。期间,连续输出的BN信号会在设备一侧的控制柜显示屏上以曲线形式呈现。当完成一周的测试后,操作者再次提起传感器支臂上的手柄,使测头脱离第一个被检凸轮,移动至下一个进行测量,直到全部凸轮测毕,返回起点。
尽管只是一台半自动设备,但操作便捷,效率很高,检查一个工件,如一根四缸发动机的凸轮轴,包括装卸也不到2分钟。
目前,以磁弹法原理为基础研制的这类新型磨削烧伤检测仪器已经产品化,在很多行业得到了成功的应用。针对不同被测工件的特征和各个用户的需要,这类新型检测仪器可设计、制造成不同的型式,有逐点测量的静态方式,也有上述那种连续动态测量方式。至于仪器能探测的深度,取决于实际被检工件材料的导电率、导磁率以及所确定的激磁频率。仪器都配两种激磁频率,3-15kHz和70~200kHz。按磁弹法原理研制的这类新型仪器的检查深度一般范围为0.01~1.5mm,但通常工件表面磨削烧伤发生的深度是0.02~0.2mm。
国内在这方面虽刚刚起步,但已经采用的场合除了上述汽车发动机行业的凸轮轴外,还有轴承行业中的套圈,显示了相当广阔的前景。
本文作者:大众动力总成(上海)有限公司 朱正德
原载:《工具展望》2006年第1期/《中国机械与金属》2006年3月号
上载于:2006-3-15 20:56:34

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