基于磨削深度對凸輪軸磨削燒傷影響的研究

廖禮鵬 ，彭錦華

（1.湖南有色金屬職業技術學院，湖南株洲 412000；2.湖南有色金屬工業技工學校，湖南株洲 412000）

0 引言

磨削加工時產生的熱使得所加工的工件表層金相結構產生變化，表面層的硬度發生改變，影響到工件的使用性能，同時磨削加工后工件表面呈現出不同顏色的氧化膜，這種現象稱為磨削燒傷。磨削燒傷的根本原因是工件表面材料由于溫度過高導致晶格結構發生變化，磨削時磨削區域的溫度可達到（100～1000）℃，可見磨削燒傷和磨削溫度的關系緊密相連，因此，研究磨削燒傷有助于進一步完善磨削溫度的研究。針對干磨條件下不同磨削深度對凸輪軸磨削燒傷影響的實驗研究，將磨削深度為0.001 mm、0.003 mm，0.005 mm，0.01mm和0.15 mm時加工好的凸輪軸上的凸輪片用超景深顯微鏡和觀色法進行磨削燒傷影響的實驗研究。

1 凸輪軸

凸輪軸的應用非常廣泛，是發動機的關鍵部件之一。由一根圓柱形棒體、若干組凸輪組成。它根據內燃機的工作順序、配氣正時和升程規律來驅動氣門及時開啟和關閉。凸輪軸輪廓形面由基圓段、緩沖端、加（減）速度、頂端等組成。

2 實驗方案

為了找出干磨時凸輪軸磨削產生磨削燒傷的指導磨削深度及磨削深度對磨削燒傷影響的規律，選擇砂輪線速度為120 m/s、工件轉速為90 r/min，對所選5個磨削深度（0.001 mm，0.003 mm，0.005 mm，0.01 mm和0.015 mm）分別進行磨削實驗的燒傷檢測，用編號為1#～5#的凸輪軸完成實驗，實驗完成后再統一進行磨削表面燒傷檢測，實驗參數見表1。

表1 磨削深度對磨削溫度影響單因素實驗方案

3 磨削燒傷的檢測方法

磨削燒傷問題是由于磨削的工藝特點本身所決定的。在工藝參數、冷卻的方式和磨料狀態等選擇不得當時，對于大多數含鐵材料而言，極容易出現相當深的金相組織的變化層（回火層），嚴重時還會出現裂紋，這就是磨削燒傷。磨削燒傷是一個非常復雜的現象，它的表現形式也是多種多樣的。磨削燒傷的檢測方法較多，目前常用的檢測磨削燒傷判別的方法有表面顏色檢測法判斷、顯微判別檢測法判斷、金相判別檢測法判斷、酸洗檢測法判斷、成分分析檢測法判斷、渦流檢測法判斷和巴克豪森噪聲檢測法判斷。

3.1 觀色法

這種方法也稱目視法，磨削燒傷時零件表面存在氧化膜，氧化膜的顏色、厚度同燒傷程度對應。隨著磨削熱而引起零件溫度升高，鑄鐵和鋼表面氧化膜的顏色有黃色、褐色、紫色、青色、燒傷最嚴重時為灰色。通過觀察、識別工件磨削表面的顏色，就可以做出大致的燒傷程度的判斷。這是方法雖然簡單，但需要輔助其他燒傷檢測方法增加其精確性。

3.2 顯微硬度檢測法

觀察顯微硬度在磨削變質層內垂直磨削表面的深度變化辨別燒傷。該檢測方法要制作專門的試樣，生產使用中不方便。

3.3 金相判別法

通過光學或電子顯微鏡觀察工件表面層金相電鏡圖的變化判別燒傷。以燒傷本質作為判別標準，該檢測方法理論上說是有保障的，但試樣制作起來麻煩，生產中使用時不太方便。

3.4 酸洗法

在不同的情況下，根據特有電鏡圖的耐腐蝕性獨特性，酸洗后表現的顏色也會呈現不同，因而可以用來識別有沒有燒傷。此檢測法檢測有沒有裂紋的特征是黑色條紋或當中黑、邊緣光亮。該法是目前國內外廣泛應用的檢測軸承制造中磨削燒傷檢測判別方法。該方法檢測燒傷時，準確性高于通過表面觀察顏色法。缺點是經過酸洗后的零件破壞了零件表層組織不能再使用。

3.5 成分分析法

如果發生磨削燒傷，在加工完的工件表面上就會形成一層氧化膜，它表面的化學成分與基體金屬相對比，發生了一系列的變化。通過檢測確定工件的表面層的氧化情況以及氧化膜厚度，這種方法是一種比較準確的磨削燒傷判別方法。

3.6 渦流檢測法

該方法通過測定檢測線圈阻抗的變化，測試試件的性能及有無缺陷。由于渦流檢測燒傷是一項綜合判斷技術，因此單因素判斷是有困難的，必須應用多頻法。該方法目前還不太成熟，有可能發展為一種實用的燒傷檢測方法。

3.7 巴克豪森噪聲檢測法

這是一種利用外加磁場作用，改變磁疇其作用方向，通過傳感器來磁通階躍的檢測方法。該檢測方法受被測區的應力、材料組織狀態、塑性、變形、硬度、晶粒取向等有關因素的影響，在檢測燒傷發生時，影響檢測結果。

3.8 超景深顯微鏡

本次磨削燒傷的研究除了利用觀色法外，還采用了VHX-500FE超景深三維顯微鏡進行凸輪軸的高速磨削燒傷研究。該設備由日本KEYENCE公司開發研究，無需拆卸、切斷工件，只需將工件放在試樣臺上，就能方便地對工件進行檢測；同時通過旋轉調焦旋鈕，就能獲得較高質量的3D圖像。此設備能夠滿足凸輪軸磨削燒傷的檢測要求。本次實驗的磨削燒傷檢測是采用觀色法和超景深顯微鏡檢測磨削燒傷。

4 磨削深度對磨削溫度影響的單因素實驗

根據單因素磨削實驗方案中的實際情況結合等差法，分別選取磨削深度 0.001 mm，0.003 mm，0.005 mm，0.01 mm，0.015 mm進行實驗，其他因素不變，將所測得到的工件表面最高磨削溫度進行整理，得到磨削深度與工件表面磨削溫度的關系（表2）。表2數據表明，隨著磨削深度的增大，磨削溫度也隨之升高。

表2 磨削深度與工件表面磨削溫度的關系

5 磨削深度對凸輪軸磨削燒傷的影響

在砂輪線速度120 m/s，磨削深度0.001 mm，工件轉速90 r/min時工件磨削表面超景深顯微鏡觀測圖，沒有燒傷痕跡；在砂輪線速度120 m/s，磨削深度0.003 mm，工件轉速90 r/min時工件磨削表面超景深顯微鏡觀測圖，此時放大倍數為200倍，可以看到磨削后的凸輪工件表面呈淡淡的黃色，以及細細的裂紋，說明已經存在磨削燒傷；在砂輪線速度120 m/s，磨削深度0.005 mm，工件轉速90 r/min時工件磨削表面超景深顯微鏡觀測圖，此時放大倍數為200倍，可以看到磨削后的凸輪工件表面的黃色增多，以及裂紋增多變大，和磨削深度為0.003 mm相比，磨削燒傷程度增大；在砂輪線速度120 m/s，磨削深度0.01 mm，工件轉速90 r/min時工件磨削表面超景深顯微鏡觀測圖，此時放大倍數為50倍，可以看到磨削后的凸輪工件表面呈青色，及粗大裂紋，和磨削深度為0.005 mm相比，磨削燒傷程度增大；在砂輪線速度120 m/s，磨削深度0.015 mm，工件轉速90 r/min時工件磨削表面超景深顯微鏡觀測圖，此時放大倍數為20倍，可以看到磨削后的凸輪工件表面呈青灰色，以及粗大裂紋，和磨削深度0.01 mm相比，磨削燒傷程度明顯增大。

6 結論

從以上的分析可以得出，凸輪軸表面的磨削溫度越高，燒傷越嚴重，且在磨削深度0.015 mm時磨削溫度最高，燒傷也最嚴重。因此，可以得出結論：在其他磨削參數不變的情況下，磨削深度的不斷增大，凸輪軸表面的燒傷程度也隨著增大。這是因為磨削深度的增大導致磨削熱的增多，而磨削熱的增多導致了磨削溫度的上升。