在鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)生(sheng)產(chan)過(guo)程中會產(chan)生(sheng)裂紋(wen)(wen)、夾(jia)雜(za)和(he)分(fen)層等缺陷而影(ying)響(xiang)鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)質量，其中，鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)表面(mian)縱(zong)向裂紋(wen)(wen)約占(zhan)所有缺陷的(de)70％。針對鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)實際缺陷類型，一般采用(yong)復合檢測(ce)的(de)方法對其質量狀況(kuang)進行(xing)綜合評定，如超(chao)聲法主要檢測(ce)鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)內部縱(zong)向裂紋(wen)(wen)、漏磁法主要檢測(ce)鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)表面(mian)軸向裂紋(wen)(wen)。
鋼(gang)棒(bang)軸(zhou)向(xiang)裂紋(wen)(wen)(wen)將嚴重(zhong)影響產品質量，生(sheng)產過程中有效檢出鋼(gang)棒(bang)中的軸(zhou)向(xiang)裂紋(wen)(wen)(wen)特別是微(wei)裂紋(wen)(wen)(wen)尤為必(bi)要。對(dui)于表面(mian)精拔加工的軸(zhou)承生(sheng)產用鋼(gang)棒(bang)，采用交(jiao)流(liu)漏磁(ci)檢測(ce)(ce)能夠有效探測(ce)(ce)微(wei)小裂紋(wen)(wen)(wen)。針對(dui)鋼(gang)棒(bang)表面(mian)軸(zhou)向(xiang)裂紋(wen)(wen)(wen)，直流(liu)磁(ci)化漏磁(ci)檢測(ce)(ce)一般難以適用。
這(zhe)里，介紹(shao)一種基于鋼(gang)棒螺旋運(yun)動(dong)、探頭(tou)固定(ding)的鋼(gang)棒縱向裂(lie)紋(wen)(wen)自動(dong)檢(jian)(jian)測方(fang)法與裝置(zhi)。采用(yong)(yong)C形局(ju)部交(jiao)流(liu)磁(ci)化器(qi)對鋼(gang)棒進行(xing)勵磁(ci)，并(bing)采用(yong)(yong)相應(ying)的陣列(lie)傳感器(qi)來(lai)拾取裂(lie)紋(wen)(wen)漏(lou)磁(ci)信號，最后通(tong)過(guo)計算機處(chu)理(li)系統實(shi)施(shi)定(ding)量化檢(jian)(jian)測與評估，獲得穩定(ding)的檢(jian)(jian)測靈敏度，具(ju)有(you)廣(guang)泛的應(ying)用(yong)(yong)價值。
一、檢(jian)測(ce)原(yuan)理(li)
漏磁(ci)檢(jian)(jian)測(ce)方法(fa)(fa)分為(wei)直流漏磁(ci)和交(jiao)流漏磁(ci)，圖7-26所(suo)示為(wei)鋼(gang)管(guan)(guan)和鋼(gang)棒(bang)(bang)周向(xiang)(xiang)直流磁(ci)化時磁(ci)場(chang)分布對(dui)比(bi)。由圖可知，鋼(gang)管(guan)(guan)易被磁(ci)化至飽和狀態(tai)，缺陷漏磁(ci)場(chang)比(bi)較大(da)；而(er)鋼(gang)棒(bang)(bang)磁(ci)化時，由于(yu)為(wei)實心，磁(ci)力線沒有(you)環(huan)繞(rao)至鋼(gang)棒(bang)(bang)表(biao)面，而(er)直接穿過鋼(gang)棒(bang)(bang)中心，表(biao)面縱向(xiang)(xiang)裂紋幾(ji)乎(hu)沒有(you)漏磁(ci)場(chang)泄(xie)漏，為(wei)此，類似(si)鋼(gang)管(guan)(guan)軸(zhou)向(xiang)(xiang)裂紋的直流漏磁(ci)方法(fa)(fa)難以(yi)在鋼(gang)棒(bang)(bang)上實施。由于(yu)趨膚效應，交(jiao)流磁(ci)場(chang)集中于(yu)工(gong)件表(biao)面，對(dui)表(biao)面軸(zhou)向(xiang)(xiang)裂紋的檢(jian)(jian)測(ce)將更為(wei)敏感，所(suo)以(yi)，鋼(gang)棒(bang)(bang)軸(zhou)向(xiang)(xiang)裂紋的檢(jian)(jian)測(ce)宜采用交(jiao)流漏磁(ci)檢(jian)(jian)測(ce)方法(fa)(fa)。
常用(yong)(yong)的交(jiao)流漏磁(ci)磁(ci)化(hua)(hua)器有穿過式(shi)線(xian)圈磁(ci)化(hua)(hua)器和(he)局部磁(ci)軛式(shi)磁(ci)化(hua)(hua)器，用(yong)(yong)于(yu)縱向裂(lie)紋檢(jian)(jian)(jian)測的僅能采用(yong)(yong)后者。圖7-27所示為采用(yong)(yong)局部磁(ci)軛式(shi)磁(ci)化(hua)(hua)器的鋼(gang)棒(bang)交(jiao)流漏磁(ci)檢(jian)(jian)(jian)測原理圖。磁(ci)化(hua)(hua)器由C形(xing)高導磁(ci)材料(liao)和(he)勵(li)(li)磁(ci)線(xian)圈組(zu)成，其(qi)中(zhong)勵(li)(li)磁(ci)線(xian)圈環繞制在C形(xing)高導磁(ci)材料(liao)上，勵(li)(li)磁(ci)線(xian)圈中(zhong)施加一(yi)定(ding)頻率的交(jiao)流電流。檢(jian)(jian)(jian)測元件與磁(ci)化(hua)(hua)器一(yi)起與鋼(gang)棒(bang)形(xing)成相對螺(luo)旋運動，當檢(jian)(jian)(jian)測元件掃查至裂(lie)紋區域時可獲得裂(lie)紋信號。
二、整體方案
鋼棒交(jiao)流(liu)漏(lou)磁檢(jian)測系統方案如圖7-28所示(shi)。檢(jian)測單元由(you)交(jiao)流(liu)漏(lou)磁磁化(hua)器(qi)和陣(zhen)列傳感器(qi)組(zu)成；信(xin)(xin)號處理過程中，檢(jian)測中缺(que)陷處的交(jiao)流(liu)漏(lou)磁場(chang)與交(jiao)流(liu)激勵場(chang)相疊加，為(wei)調制信(xin)(xin)號，因(yin)此(ci)需要對信(xin)(xin)號進行解調處理，濾除原交(jiao)流(liu)勵磁信(xin)(xin)號，保留裂紋信(xin)(xin)號，然后(hou)再進行放大(da)濾波(bo)處理。
為實現鋼(gang)棒縱向裂紋的全覆(fu)蓋自動(dong)化(hua)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)，檢(jian)測(ce)(ce)(ce)探(tan)頭需要在鋼(gang)棒表面(mian)形成螺(luo)旋(xuan)線掃(sao)查(cha)路徑。目前(qian)，主要有兩種(zhong)實現方式(shi)：①檢(jian)測(ce)(ce)(ce)單(dan)(dan)元靜止，鋼(gang)棒做螺(luo)旋(xuan)推進運(yun)動(dong)；②檢(jian)測(ce)(ce)(ce)單(dan)(dan)元旋(xuan)轉(zhuan)，鋼(gang)棒做直線運(yun)動(dong)。第(di)二種(zhong)多出(chu)現在進口的檢(jian)測(ce)(ce)(ce)設備(bei)中，旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)構包括周(zhou)向磁化(hua)器、檢(jian)測(ce)(ce)(ce)探(tan)靴(xue)、集電環(huan)、初步(bu)調理(li)電路等，結構龐大(da)、價格昂貴。相(xiang)比之下，采用第(di)一種(zhong)運(yun)動(dong)方式(shi)可避(bi)免主機(ji)的回轉(zhuan)運(yun)動(dong)，使系統結構得到大(da)大(da)簡化(hua)，檢(jian)測(ce)(ce)(ce)成本低。這里采用基于(yu)鋼(gang)棒螺(luo)旋(xuan)推進的運(yun)動(dong)方式(shi)。
三、檢測探頭
軸向(xiang)裂紋(wen)(wen)檢測(ce)應(ying)具(ju)(ju)備(bei)兩大(da)要素：一是外加磁場(chang)(chang)方向(xiang)應(ying)最大(da)限度(du)地與軸向(xiang)裂紋(wen)(wen)垂直，以激勵出最大(da)強度(du)的(de)漏磁場(chang)(chang)；二是磁場(chang)(chang)測(ce)量單(dan)元(yuan)應(ying)該具(ju)(ju)有足夠的(de)靈敏度(du)。
1. 交流漏磁磁化器
鋼棒直徑越小(xiao)，軸向裂紋的檢(jian)測穩定性越難以保(bao)證。圖7-29所示為C形磁化(hua)器檢(jian)測狀態圖。
該方(fang)案有如下優點：
a. 經(jing)過鋼棒的有效主(zhu)磁(ci)(ci)(ci)通更(geng)大(da)，并且(qie)能保證磁(ci)(ci)(ci)場方向同軸(zhou)向裂紋(wen)(wen)正交，裂紋(wen)(wen)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場更(geng)大(da)。
磁(ci)(ci)(ci)化器(qi)所產生的(de)磁(ci)(ci)(ci)通(tong)路徑(jing)有兩條(tiao)：一是(shi)經過(guo)鋼(gang)棒的(de)主磁(ci)(ci)(ci)通(tong)，二是(shi)不經過(guo)鋼(gang)棒的(de)漏磁(ci)(ci)(ci)Φ通(tong)，即(ji)在磁(ci)(ci)(ci)化器(qi)兩極之間(jian)傳遞的(de)磁(ci)(ci)(ci)通(tong)。故(gu)在磁(ci)(ci)(ci)路內的(de)總(zong)磁(ci)(ci)(ci)通(tong)為
Φo=Φs+Φ, (7-1)
常規交流漏磁檢測一般(ban)使用U型磁軛(e)，磁極(ji)平面一般(ban)與(yu)鋼(gang)(gang)棒(bang)表面相切。本方案的C形磁極(ji)用弧(hu)面與(yu)鋼(gang)(gang)棒(bang)表面貼合(he)，氣隙(xi)漏磁通(tong)(tong)量(liang)少，有效(xiao)增(zeng)大進入鋼(gang)(gang)棒(bang)的主(zhu)磁通(tong)(tong)量(liang)。
b. 對于(yu)小規格鋼棒，磁(ci)極(ji)與(yu)鋼棒表面貼合不好(hao)，會使傳感器(qi)檢(jian)測區域偏(pian)(pian)離(li)磁(ci)化中(zhong)心(xin)區，對信(xin)號產生干擾(rao)。在自動(dong)(dong)化檢(jian)測中(zhong)，這種動(dong)(dong)態偏(pian)(pian)離(li)將引起較(jiao)大的(de)(de)干擾(rao)，降低檢(jian)測信(xin)噪比和靈敏(min)度。C形(xing)磁(ci)化器(qi)及其磁(ci)極(ji)實現了較(jiao)好(hao)的(de)(de)對中(zhong)，檢(jian)測信(xin)號穩定，振動(dong)(dong)干擾(rao)小。
在檢測(ce)(ce)(ce)不(bu)同直徑(jing)的(de)鋼(gang)棒(bang)時，鋼(gang)棒(bang)中心高會發生(sheng)變化(hua)，浮動對中機構可良好地實現探頭跟(gen)蹤，減少干擾噪聲(sheng)。利用滑軌(gui)滑塊機構可實現檢測(ce)(ce)(ce)探頭裝(zhuang)置的(de)整體上下移動，以適應鋼(gang)棒(bang)的(de)中心高變化(hua)。氣缸可使檢測(ce)(ce)(ce)單元(yuan)在鋼(gang)棒(bang)螺旋(xuan)前(qian)進過(guo)程中緊密貼合鋼(gang)棒(bang)，避免提離值的(de)變化(hua)對檢測(ce)(ce)(ce)信號的(de)影響，如圖7-30所示(shi)。
2. 陣(zhen)列(lie)傳感(gan)器(qi)
為提高檢(jian)測(ce)速(su)度(du)并滿足(zu)全覆蓋一(yi)致性檢(jian)測(ce)，傳感器設計成陣列式，以(yi)增加探頭軸向(xiang)覆蓋范圍，防止缺陷漏檢(jian)。鋼棒螺(luo)旋前進的(de)螺(luo)距(ju)一(yi)般稍小(xiao)于探頭軸向(xiang)覆蓋范圍，鋼棒運(yun)行(xing)螺(luo)距(ju)越(yue)大，系統檢(jian)測(ce)速(su)度(du)越(yue)高。
由(you)于檢(jian)測(ce)過程(cheng)中會出現多種機械電氣干(gan)擾(rao)而形成(cheng)背景噪聲，將傳感器單元(yuan)設計為(wei)(wei)差分(fen)式結構來消除部分(fen)干(gan)擾(rao)信號。如圖7-31所示，檢(jian)測(ce)單元(yuan)由(you)扁平線圈及聚磁鐵心組成(cheng)，虛(xu)線框為(wei)(wei)一(yi)個差分(fen)單元(yuan)。探頭耐(nai)磨(mo)層采(cai)用陶(tao)瓷片，實踐證明(ming)具有(you)很好的耐(nai)磨(mo)效果(guo)，在具體應用過程(cheng)中只需(xu)定期更換陶(tao)瓷片，即(ji)可延長(chang)探頭的使用壽(shou)命(ming)。
四、現場(chang)應用
鋼棒軸向(xiang)裂紋自動檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)裝(zhuang)置如圖7-32所(suo)示(shi)(shi)，系統由(you)信號(hao)勵(li)磁(ci)源、計(ji)算機、采集卡、信號(hao)處理電(dian)路(lu)、輔機裝(zhuang)置和檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)單(dan)元(yuan)等組成(cheng)。圖中所(suo)示(shi)(shi)裝(zhuang)置僅用(yong)了1個(ge)(ge)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)單(dan)元(yuan)，其軸向(xiang)覆蓋范(fan)圍為50mm，調節輥道的擺(bai)角(jiao)，使(shi)ф24mm鋼棒行駛螺距(ju)小于(yu)50mm。當檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)單(dan)元(yuan)增加(jia)到8個(ge)(ge)時(shi)，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)螺距(ju)達到500mm，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)直線速度可提升到60m／min。
待檢鋼棒如圖7-33所示，表面共有四個軸向(xiang)裂紋，長均為(wei)40mm，寬均為(wei)0.2mm，裂紋深(shen)依(yi)次為(wei)0.30mm、0.15mm、0.25mm和0.30mm。
對鋼(gang)棒表(biao)面進(jin)行自動(dong)化(hua)檢(jian)(jian)測，所得(de)信(xin)(xin)號如圖7-34所示。由檢(jian)(jian)測信(xin)(xin)號可知，該裝置對表(biao)面不同深度的(de)軸向裂紋(wen)有穩定可靠的(de)檢(jian)(jian)測能力，且信(xin)(xin)噪比較好。
交流(liu)漏磁(ci)(ci)法對鋼(gang)棒表面軸向裂紋具有較高的檢(jian)(jian)測靈敏度(du)。局部磁(ci)(ci)軛磁(ci)(ci)化器易與陣列傳感器實現一體化，采用C形(xing)局部磁(ci)(ci)化器和(he)陣列傳感器設計(ji)，使得檢(jian)(jian)測結構更簡單、小型(xing)化，有利于(yu)自動(dong)化檢(jian)(jian)測的實施。該系統裂紋檢(jian)(jian)測深度(du)最淺(qian)可(ke)(ke)達0.15mm，檢(jian)(jian)測速(su)度(du)可(ke)(ke)達60m／min，滿足(zu)鋼(gang)棒自動(dong)化檢(jian)(jian)測需(xu)求。
