在鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)(de)生產(chan)過程中(zhong)會產(chan)生裂(lie)紋(wen)、夾雜和分層(ceng)等(deng)缺陷(xian)而影(ying)響鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)質(zhi)量，其(qi)中(zhong)，鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)(de)表面縱向(xiang)裂(lie)紋(wen)約占所有缺陷(xian)的(de)(de)70％。針對(dui)(dui)鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)(de)實際缺陷(xian)類型，一般采(cai)用復合(he)檢(jian)測(ce)的(de)(de)方法對(dui)(dui)其(qi)質(zhi)量狀況進行綜合(he)評(ping)定，如超(chao)聲法主(zhu)要(yao)檢(jian)測(ce)鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)(de)內部(bu)縱向(xiang)裂(lie)紋(wen)、漏(lou)磁法主(zhu)要(yao)檢(jian)測(ce)鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的(de)(de)表面軸向(xiang)裂(lie)紋(wen)。
鋼棒(bang)軸(zhou)向(xiang)裂紋將嚴重影響(xiang)產品質量，生(sheng)(sheng)產過(guo)程中有(you)效檢出(chu)鋼棒(bang)中的軸(zhou)向(xiang)裂紋特別是微裂紋尤(you)為必(bi)要。對(dui)于(yu)表面精拔加工的軸(zhou)承生(sheng)(sheng)產用(yong)(yong)鋼棒(bang)，采用(yong)(yong)交(jiao)流(liu)漏磁(ci)檢測能(neng)夠有(you)效探測微小裂紋。針對(dui)鋼棒(bang)表面軸(zhou)向(xiang)裂紋，直流(liu)磁(ci)化漏磁(ci)檢測一般難以適用(yong)(yong)。
這里，介紹一種基于鋼(gang)(gang)棒(bang)螺旋運動、探頭(tou)固(gu)定的鋼(gang)(gang)棒(bang)縱向裂(lie)紋(wen)自動檢(jian)測(ce)(ce)方(fang)法(fa)與裝置。采(cai)用C形局部交流磁化器對鋼(gang)(gang)棒(bang)進(jin)行(xing)勵磁，并采(cai)用相(xiang)應的陣列傳(chuan)感器來拾取裂(lie)紋(wen)漏磁信號，最后通(tong)過計算機處理系(xi)統(tong)實施定量化檢(jian)測(ce)(ce)與評(ping)估，獲得穩(wen)定的檢(jian)測(ce)(ce)靈敏度，具有廣泛的應用價值。
一、檢(jian)測原理(li)
漏(lou)(lou)磁(ci)檢測(ce)(ce)方法(fa)分(fen)為直(zhi)流(liu)(liu)(liu)漏(lou)(lou)磁(ci)和(he)交流(liu)(liu)(liu)漏(lou)(lou)磁(ci)，圖7-26所示為鋼(gang)管和(he)鋼(gang)棒(bang)(bang)周(zhou)向直(zhi)流(liu)(liu)(liu)磁(ci)化時磁(ci)場分(fen)布對(dui)比。由(you)(you)圖可(ke)知，鋼(gang)管易被磁(ci)化至飽(bao)和(he)狀(zhuang)態，缺陷漏(lou)(lou)磁(ci)場比較大；而(er)鋼(gang)棒(bang)(bang)磁(ci)化時，由(you)(you)于為實心，磁(ci)力(li)線沒有環繞至鋼(gang)棒(bang)(bang)表(biao)面(mian)，而(er)直(zhi)接(jie)穿過鋼(gang)棒(bang)(bang)中心，表(biao)面(mian)縱向裂紋(wen)(wen)幾乎沒有漏(lou)(lou)磁(ci)場泄漏(lou)(lou)，為此(ci)，類似鋼(gang)管軸(zhou)向裂紋(wen)(wen)的(de)直(zhi)流(liu)(liu)(liu)漏(lou)(lou)磁(ci)方法(fa)難(nan)以在鋼(gang)棒(bang)(bang)上實施。由(you)(you)于趨膚效應，交流(liu)(liu)(liu)磁(ci)場集中于工件表(biao)面(mian)，對(dui)表(biao)面(mian)軸(zhou)向裂紋(wen)(wen)的(de)檢測(ce)(ce)將更為敏感，所以，鋼(gang)棒(bang)(bang)軸(zhou)向裂紋(wen)(wen)的(de)檢測(ce)(ce)宜(yi)采用交流(liu)(liu)(liu)漏(lou)(lou)磁(ci)檢測(ce)(ce)方法(fa)。
常用的(de)交(jiao)(jiao)流漏磁(ci)磁(ci)化器(qi)(qi)(qi)有(you)穿過式線圈磁(ci)化器(qi)(qi)(qi)和(he)局部磁(ci)軛式磁(ci)化器(qi)(qi)(qi)，用于縱向裂(lie)紋檢(jian)測(ce)的(de)僅能采用后者。圖(tu)7-27所(suo)示為(wei)采用局部磁(ci)軛式磁(ci)化器(qi)(qi)(qi)的(de)鋼(gang)棒交(jiao)(jiao)流漏磁(ci)檢(jian)測(ce)原(yuan)理圖(tu)。磁(ci)化器(qi)(qi)(qi)由C形(xing)(xing)高(gao)導磁(ci)材料和(he)勵(li)磁(ci)線圈組成，其中(zhong)勵(li)磁(ci)線圈環(huan)繞制在C形(xing)(xing)高(gao)導磁(ci)材料上，勵(li)磁(ci)線圈中(zhong)施(shi)加(jia)一(yi)定頻率的(de)交(jiao)(jiao)流電流。檢(jian)測(ce)元件與(yu)磁(ci)化器(qi)(qi)(qi)一(yi)起(qi)與(yu)鋼(gang)棒形(xing)(xing)成相對螺(luo)旋運動(dong)，當檢(jian)測(ce)元件掃查至裂(lie)紋區(qu)域時(shi)可獲(huo)得裂(lie)紋信號。
二(er)、整體方案(an)
鋼棒交(jiao)(jiao)流漏磁(ci)(ci)檢測系統(tong)方案(an)如(ru)圖7-28所示。檢測單元(yuan)由交(jiao)(jiao)流漏磁(ci)(ci)磁(ci)(ci)化器和陣列(lie)傳(chuan)感器組成；信(xin)號處理(li)(li)過程中，檢測中缺陷處的(de)交(jiao)(jiao)流漏磁(ci)(ci)場與(yu)交(jiao)(jiao)流激勵(li)場相疊加，為調(diao)制(zhi)信(xin)號，因此需要(yao)對信(xin)號進行解調(diao)處理(li)(li)，濾除原交(jiao)(jiao)流勵(li)磁(ci)(ci)信(xin)號，保留裂紋信(xin)號，然后再進行放(fang)大濾波處理(li)(li)。
為實(shi)現(xian)鋼(gang)棒(bang)縱向裂紋(wen)的全(quan)覆蓋自動化(hua)(hua)檢(jian)測，檢(jian)測探頭需要在(zai)鋼(gang)棒(bang)表面(mian)形(xing)成螺(luo)旋(xuan)線(xian)掃查路徑。目前，主要有兩種(zhong)實(shi)現(xian)方式：①檢(jian)測單(dan)元靜(jing)止(zhi)，鋼(gang)棒(bang)做(zuo)(zuo)螺(luo)旋(xuan)推進運動；②檢(jian)測單(dan)元旋(xuan)轉，鋼(gang)棒(bang)做(zuo)(zuo)直線(xian)運動。第二(er)種(zhong)多(duo)出現(xian)在(zai)進口(kou)的檢(jian)測設(she)備中，旋(xuan)轉機構(gou)包括周向磁化(hua)(hua)器、檢(jian)測探靴、集(ji)電(dian)環、初(chu)步調理電(dian)路等，結構(gou)龐大、價(jia)格昂貴(gui)。相(xiang)比之下(xia)，采用第一(yi)種(zhong)運動方式可避免主機的回轉運動，使系統(tong)結構(gou)得(de)到(dao)大大簡化(hua)(hua)，檢(jian)測成本低。這里采用基于(yu)鋼(gang)棒(bang)螺(luo)旋(xuan)推進的運動方式。
三、檢測探頭
軸向(xiang)(xiang)裂紋檢測(ce)應(ying)(ying)具備兩大要素：一(yi)是外(wai)加磁場方向(xiang)(xiang)應(ying)(ying)最(zui)大限(xian)度(du)地與軸向(xiang)(xiang)裂紋垂直(zhi)，以激勵出最(zui)大強度(du)的(de)漏(lou)磁場；二是磁場測(ce)量單(dan)元應(ying)(ying)該具有足夠的(de)靈敏度(du)。
1. 交(jiao)流(liu)漏磁磁化(hua)器
鋼棒直徑越小(xiao)，軸(zhou)向裂(lie)紋的檢(jian)測穩(wen)定性越難以(yi)保證(zheng)。圖7-29所(suo)示為(wei)C形磁化(hua)器檢(jian)測狀態圖。
該方案有如(ru)下優點：
a. 經過鋼棒的(de)有效主磁(ci)通更大(da)(da)，并(bing)且能保證磁(ci)場(chang)方向(xiang)同軸向(xiang)裂紋(wen)正交，裂紋(wen)漏磁(ci)場(chang)更大(da)(da)。
磁(ci)(ci)化(hua)(hua)器所產生的(de)(de)磁(ci)(ci)通(tong)路(lu)徑有(you)兩(liang)條：一是經(jing)過鋼棒的(de)(de)主磁(ci)(ci)通(tong)，二(er)是不經(jing)過鋼棒的(de)(de)漏磁(ci)(ci)Φ通(tong)，即在磁(ci)(ci)化(hua)(hua)器兩(liang)極之間傳遞的(de)(de)磁(ci)(ci)通(tong)。故(gu)在磁(ci)(ci)路(lu)內的(de)(de)總(zong)磁(ci)(ci)通(tong)為
Φo=Φs+Φ, (7-1)
常規交(jiao)流漏磁(ci)檢測一(yi)般(ban)使用U型磁(ci)軛，磁(ci)極平面一(yi)般(ban)與鋼棒表面相切。本方案的C形磁(ci)極用弧面與鋼棒表面貼合，氣隙漏磁(ci)通(tong)(tong)量少，有效增大進入鋼棒的主磁(ci)通(tong)(tong)量。
b. 對(dui)于小規格鋼棒(bang)，磁(ci)極與鋼棒(bang)表面貼合(he)不好(hao)，會(hui)使傳感器(qi)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)區(qu)域(yu)偏離磁(ci)化中心區(qu)，對(dui)信號(hao)產生干(gan)擾。在自動化檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)中，這種動態偏離將引起較大的干(gan)擾，降低檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)信噪比和靈敏度。C形磁(ci)化器(qi)及其磁(ci)極實現了較好(hao)的對(dui)中，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)信號(hao)穩定，振(zhen)動干(gan)擾小。
在檢(jian)測(ce)不同直(zhi)徑(jing)的鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)時，鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)中(zhong)心高會發(fa)生變(bian)化(hua)，浮動對(dui)中(zhong)機構(gou)可(ke)(ke)良好地實(shi)現探(tan)頭(tou)跟蹤，減少干(gan)擾(rao)噪聲。利用滑軌滑塊(kuai)機構(gou)可(ke)(ke)實(shi)現檢(jian)測(ce)探(tan)頭(tou)裝置的整(zheng)體上(shang)下移動，以適應鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)的中(zhong)心高變(bian)化(hua)。氣缸(gang)可(ke)(ke)使檢(jian)測(ce)單(dan)元(yuan)在鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)螺旋前進過程中(zhong)緊密(mi)貼合(he)鋼(gang)棒(bang)(bang)(bang)，避免(mian)提離(li)值的變(bian)化(hua)對(dui)檢(jian)測(ce)信(xin)號的影響，如圖7-30所示。
2. 陣列傳感器
為提高檢(jian)測(ce)速(su)(su)度并滿足全覆蓋(gai)一(yi)致性(xing)檢(jian)測(ce)，傳感(gan)器設計成(cheng)陣列式，以增加探頭(tou)軸(zhou)向(xiang)覆蓋(gai)范圍，防止缺(que)陷漏檢(jian)。鋼(gang)(gang)棒螺旋前(qian)進的螺距一(yi)般稍(shao)小于探頭(tou)軸(zhou)向(xiang)覆蓋(gai)范圍，鋼(gang)(gang)棒運行螺距越大，系統(tong)檢(jian)測(ce)速(su)(su)度越高。
由于檢測過程(cheng)中會出現多(duo)種機械(xie)電氣干擾(rao)而形成(cheng)背景噪聲，將傳(chuan)感器單元設(she)計為差分(fen)(fen)式結構(gou)來(lai)消除(chu)部分(fen)(fen)干擾(rao)信號。如圖(tu)7-31所示，檢測單元由扁平線圈及聚磁(ci)鐵心組成(cheng)，虛(xu)線框為一個差分(fen)(fen)單元。探頭耐(nai)磨(mo)層采(cai)用陶瓷(ci)片，實踐證明具有很好(hao)的(de)耐(nai)磨(mo)效果(guo)，在具體應用過程(cheng)中只需定期更換陶瓷(ci)片，即可延長(chang)探頭的(de)使用壽命(ming)。
四(si)、現場應用
鋼棒(bang)軸(zhou)向裂紋自動檢(jian)測(ce)(ce)裝(zhuang)置如圖(tu)7-32所示，系統由信號勵(li)磁(ci)源(yuan)、計算機(ji)、采集卡、信號處理電路(lu)、輔機(ji)裝(zhuang)置和檢(jian)測(ce)(ce)單元等組成。圖(tu)中所示裝(zhuang)置僅用了1個檢(jian)測(ce)(ce)單元，其軸(zhou)向覆(fu)蓋范(fan)圍為50mm，調(diao)節輥道的(de)擺角，使ф24mm鋼棒(bang)行駛(shi)螺距(ju)(ju)小于50mm。當檢(jian)測(ce)(ce)單元增(zeng)加到(dao)(dao)8個時(shi)，檢(jian)測(ce)(ce)螺距(ju)(ju)達到(dao)(dao)500mm，檢(jian)測(ce)(ce)直線速度(du)可提(ti)升(sheng)到(dao)(dao)60m／min。
待檢(jian)鋼棒如圖7-33所示，表面共有四個(ge)軸向裂(lie)紋(wen)，長均為40mm，寬均為0.2mm，裂(lie)紋(wen)深依次為0.30mm、0.15mm、0.25mm和(he)0.30mm。
對鋼棒表面(mian)進行(xing)自動化(hua)檢測，所得信號(hao)如圖7-34所示。由檢測信號(hao)可(ke)知，該(gai)裝置對表面(mian)不同深度的(de)軸向裂(lie)紋有穩定可(ke)靠的(de)檢測能力，且信噪比較(jiao)好。
交流(liu)漏磁法對鋼棒(bang)(bang)表面(mian)軸(zhou)向裂紋具有較高的(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)靈敏度。局(ju)部磁軛(e)磁化(hua)(hua)(hua)器(qi)易與陣列傳感器(qi)實(shi)現一體化(hua)(hua)(hua)，采用C形局(ju)部磁化(hua)(hua)(hua)器(qi)和陣列傳感器(qi)設計，使得檢(jian)(jian)(jian)測(ce)結構更(geng)簡單、小型化(hua)(hua)(hua)，有利于自動化(hua)(hua)(hua)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)的(de)實(shi)施。該系統裂紋檢(jian)(jian)(jian)測(ce)深度最淺可(ke)達0.15mm，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)速度可(ke)達60m／min，滿足(zu)鋼棒(bang)(bang)自動化(hua)(hua)(hua)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)需求。
