軸承作(zuo)為重(zhong)要(yao)的(de)機(ji)械(xie)基礎(chu)件，其質量直接(jie)決定著機(ji)械(xie)產品的(de)性(xing)能以(yi)及(ji)可(ke)靠性(xing)。國家工信部規(gui)(gui)劃司在機(ji)械(xie)領域“三基”（機(ji)械(xie)基礎(chu)件、基礎(chu)制造工藝和基礎(chu)材料）產業(ye)“十二五”發(fa)展規(gui)(gui)劃中明確，指出圍(wei)繞重(zhong)大裝(zhuang)備(bei)和高(gao)端裝(zhuang)備(bei)配套需(xu)求，重(zhong)點發(fa)展高(gao)速、精密、重(zhong)載軸承。
軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)作(zuo)為機(ji)械裝置中最(zui)常用也最(zui)重要(yao)的(de)(de)零部件之一，其失效將(jiang)直接導致設備故(gu)障、生產受阻(zu)甚至(zhi)是人員傷亡。據統計，在(zai)旋(xuan)轉機(ji)械的(de)(de)現場(chang)故(gu)障中，由(you)于(yu)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)損傷而引起的(de)(de)故(gu)障大約占30％，其中大約90％的(de)(de)故(gu)障來自軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)的(de)(de)裂紋。因此提高(gao)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)的(de)(de)裂紋檢測能力(li)尤為重要(yao)。
目前，軸承套(tao)圈檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)方法(fa)(fa)(fa)主要有磁粉檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)、超聲(sheng)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)、渦流檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)、機(ji)器視覺法(fa)(fa)(fa)、巴克豪森法(fa)(fa)(fa)、聲(sheng)發射檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)等。其中，磁粉檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)、超聲(sheng)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)、渦流檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)使用(yong)較為普遍。
磁(ci)粉檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)法檢(jian)(jian)驗靈敏(min)度(du)高(gao)(gao)，缺(que)陷顯示(shi)直(zhi)觀，不受(shou)工件大(da)小和形(xing)狀(zhuang)的(de)限(xian)制，但是(shi)操(cao)作復雜，生產率(lv)低，且對環境有一定污染(ran)，磁(ci)痕觀察需要人工參與，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)結(jie)果受(shou)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)人員主觀意識和操(cao)作經驗影(ying)響(xiang)(xiang)，難以踐(jian)行統一的(de)質量標準(zhun)(zhun)；超聲檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)法在(zai)(zai)國外使用較為廣泛，歐洲已頒(ban)布(bu)相應(ying)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)標準(zhun)(zhun)《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超聲檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)法由于裂紋取向(xiang)及聲耦合對其影(ying)響(xiang)(xiang)大(da)，難以適應(ying)軸(zhou)承套圈形(xing)狀(zhuang)，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)精度(du)不高(gao)(gao)，需要檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)者有豐富經驗，所以影(ying)響(xiang)(xiang)了其在(zai)(zai)國內市場的(de)推廣；渦(wo)流檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)法可(ke)實現非接觸式(shi)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)，但是(shi)受(shou)工件形(xing)狀(zhuang)影(ying)響(xiang)(xiang)大(da)，且結(jie)果多(duo)以阻(zu)抗分析(xi)圖的(de)形(xing)式(shi)展現，不直(zhi)觀，多(duo)用于軸(zhou)承圓柱滾子的(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。
為解決(jue)軸承(cheng)(cheng)生產(chan)中出(chu)現的(de)實際問題(ti)，下面介紹一(yi)種基(ji)于漏磁原(yuan)理(li)的(de)軸承(cheng)(cheng)套圈(quan)裂(lie)紋檢(jian)測方法與裝置，可實現軸承(cheng)(cheng)套圈(quan)的(de)自動(dong)化高(gao)效檢(jian)測。
一、檢測原(yuan)理
軸承套(tao)圈作為一種(zhong)精密零部(bu)件，其表面質(zhi)量較高，生產過程中產生的(de)裂紋(wen)多呈現出(chu)開口窄、長度(du)短、深度(du)淺(qian)的(de)特點，屬(shu)于典(dian)型(xing)的(de)微(wei)小尺寸裂紋(wen)檢(jian)測問題(ti)。
1. 軸承套圈的材料、結構、待檢(jian)測部位及(ji)缺陷(xian)形式
a. 軸承鋼(gang)的主要種類
1）高(gao)碳(tan)鉻軸承鋼(gang)：年產(chan)量約占軸承鋼(gang)總產(chan)量的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中GCr15 高(gao)碳(tan)鉻軸承鋼(gang)由德國于1905年研制成功，得(de)到了廣泛應(ying)用(yong)。
2）滲(shen)碳軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)：經(jing)滲(shen)碳處理，兼(jian)具表面高硬高耐磨性(xing)及內部韌性(xing)。在美國(guo)的(de)產量約占軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)總產量的(de)30％，在中國(guo)僅占3％左右。
3）中碳軸(zhou)承鋼：工藝相對簡單(dan)，且(qie)同樣達到(dao)表面硬化(hua)效果，近年來發展較(jiao)快。
4）不銹鋼軸承鋼：用于制造在腐蝕環境下工作的軸承及某些部件。
不同材(cai)質或是相同材(cai)質、不同熱處理工藝均會對(dui)軸承鋼(gang)的(de)磁(ci)化特(te)性產生巨大影響，不同的(de)磁(ci)化特(te)性對(dui)應(ying)不同的(de)磁(ci)化裝置參數，本(ben)書使用最為(wei)廣泛的(de)GCr15軸承鋼(gang)作為(wei)研究對(dui)象(xiang)。
b. 軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)(tao)圈(quan)的結構及待檢(jian)測部位 成(cheng)品(pin)軸(zhou)承(cheng)一般由軸(zhou)承(cheng)外(wai)套(tao)(tao)(tao)(tao)圈(quan)、軸(zhou)承(cheng)內套(tao)(tao)(tao)(tao)圈(quan)、滾(gun)子(zi)保持架(jia)、滾(gun)子(zi)及附(fu)件(jian)組成(cheng)，軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)(tao)圈(quan)結構形(xing)式較為(wei)多樣(yang)，同一套(tao)(tao)(tao)(tao)裝備(bei)難以同時(shi)滿足(zu)所有(you)類型軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)(tao)圈(quan)的檢(jian)測需求，研(yan)究(jiu)其中使用較為(wei)廣泛的圓錐(zhui)滾(gun)子(zi)軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)(tao)圈(quan)具有(you)重(zhong)要意(yi)義，相關研(yan)究(jiu)方(fang)法可方(fang)便地變(bian)通之后推廣到其他類型軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)(tao)圈(quan)。
如(ru)圖(tu)7-62所示，圓(yuan)錐(zhui)滾子(zi)軸(zhou)承套圈為旋(xuan)轉(zhuan)對稱零件，外圈可看作(zuo)由梯形繞中心軸(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)360°而(er)成(cheng)，上下端(duan)(duan)面(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)，外表面(mian)(mian)為圓(yuan)柱面(mian)(mian)，內表面(mian)(mian)為圓(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)；內圈結構稍顯復雜，上下端(duan)(duan)面(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)，外表面(mian)(mian)主體為圓(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)，沿軸(zhou)向兩端(duan)(duan)含工(gong)藝槽及(ji)滾子(zi)定位臺階，內表面(mian)(mian)為圓(yuan)柱面(mian)(mian)。
軸承外圈待檢(jian)(jian)測面(mian)包含內圓錐(zhui)面(mian)1、外圓柱(zhu)面(mian)2、下端(duan)面(mian)3和上端(duan)面(mian)4。軸承內圈待檢(jian)(jian)測面(mian)包含外圓錐(zhui)面(mian)1、內圓柱(zhu)面(mian)2、下端(duan)面(mian)3、上端(duan)面(mian)4。
c. 軸(zhou)承(cheng)套圈的裂紋形式及(ji)產生原因
1）材(cai)料(liao)(liao)裂(lie)紋：材(cai)料(liao)(liao)裂(lie)紋產(chan)生的原因(yin)主要是(shi)內部(bu)(bu)氣泡、嚴重的非金屬夾雜等，沿(yan)軋(ya)制方(fang)向(xiang)(xiang)呈直線(xian)分布，以表(biao)面裂(lie)紋或折疊的形式呈現，在(zai)內部(bu)(bu)走(zou)向(xiang)(xiang)多(duo)指向(xiang)(xiang)圓心，且折疊裂(lie)紋走(zou)向(xiang)(xiang)與表(biao)面近乎平行，漏磁場微弱。
2）發(fa)(fa)紋(wen)(wen)：材(cai)料表面或(huo)(huo)近表面毛(mao)發(fa)(fa)狀的細小(xiao)裂(lie)紋(wen)(wen)，由鋼錠皮下氣泡(pao)或(huo)(huo)夾雜引起。外觀細小(xiao)，一(yi)般長1～3mm，目檢(jian)時不易(yi)發(fa)(fa)現。
3）鍛(duan)(duan)造(zao)裂紋(wen)：包(bao)括鍛(duan)(duan)造(zao)折疊裂紋(wen)（切料不齊、毛刺、飛邊以及操作不當等原因造(zao)成(cheng)）、過燒(shao)（鍛(duan)(duan)件溫(wen)度(du)過高或保溫(wen)時(shi)(shi)間(jian)過長造(zao)成(cheng)）、濕裂（停鍛(duan)(duan)溫(wen)度(du)較(jiao)高，冷(leng)卻(que)時(shi)(shi)局部(bu)(bu)或全部(bu)(bu)碰到冷(leng)卻(que)水而急冷(leng)）、內裂（鍛(duan)(duan)造(zao)時(shi)(shi)加熱速度(du)過快(kuai)，表面(mian)升(sheng)溫(wen)高而內部(bu)(bu)升(sheng)溫(wen)慢引起，一般出現在壁(bi)厚較(jiao)大處）。鍛(duan)(duan)造(zao)裂紋(wen)較(jiao)粗(cu)大，形(xing)狀不規則，存(cun)在鍛(duan)(duan)件表面(mian)，磁化時(shi)(shi)漏(lou)磁場較(jiao)弱，磁痕顯(xian)示不太清(qing)晰，剩磁法檢測容易產(chan)生(sheng)漏(lou)檢。
4）淬火裂紋：因淬火時產生(sheng)的熱應(ying)力及組織應(ying)力引(yin)起，外(wai)貌極不規則(ze)，多在(zai)外(wai)徑上，嚴(yan)重時延伸到(dao)端面，一般較深。
5）磨(mo)削裂(lie)紋(wen)：磨(mo)削時(shi)冷卻不良，瞬時(shi)高溫(wen)引起表(biao)面(mian)(mian)應力集中，即會產(chan)生(sheng)磨(mo)削裂(lie)紋(wen)，主要分布在(zai)端面(mian)(mian)、擋邊、滾道、內(nei)徑(jing)及打字處，外(wai)徑(jing)表(biao)面(mian)(mian)較(jiao)少出現(xian)，呈(cheng)現(xian)短(duan)、淺、細(xi)的特點，與磨(mo)削方向(xiang)垂(chui)直或成(cheng)一定角(jiao)度。
2. 軸承套圈裂紋漏磁(ci)檢測系統的特點(dian)
軸承套圈(quan)裂紋漏磁檢(jian)測系統(tong)的優勢在于：可實現上下料(liao)、檢(jian)測、分選、退磁一(yi)體化自(zi)動化，極大地提高了檢(jian)測效(xiao)率，降低了工人的勞(lao)動強(qiang)度。
然而，在(zai)具體的工程(cheng)實施中，存在(zai)以下要點(dian)及難點(dian)：
1）軸承套(tao)圈尺寸形(xing)狀規格繁多，如(ru)何(he)實現(xian)通用化(hua)檢測或者實現(xian)一定范圍內(nei)的(de)通用化(hua)檢測存(cun)在工程(cheng)實施難度(du)。
2）隨著軸承套(tao)圈加(jia)工(gong)工(gong)藝的提升，軸承套(tao)圈表(biao)面加(jia)工(gong)質(zhi)量越(yue)來越(yue)高(gao)，生(sheng)(sheng)產過(guo)程(cheng)中(zhong)產生(sheng)(sheng)的裂(lie)紋多(duo)呈現出開(kai)口窄(zhai)、深度淺的特(te)點，屬于典型的微小尺寸(cun)裂(lie)紋檢測(ce)問題，提高(gao)磁化能力(li)、提高(gao)傳感器檢測(ce)靈敏度及(ji)空(kong)間分辨力(li)、提高(gao)信號處(chu)理(li)能力(li)以(yi)在(zai)較強背景噪聲中(zhong)提取有效信號是關鍵。
3）軸(zhou)承套圈尤其是軸(zhou)承內圈的結(jie)構(gou)較為(wei)復雜，需從結(jie)構(gou)及布置方式(shi)著手，減小提(ti)離值并最大限(xian)度地覆(fu)蓋(gai)待檢測(ce)部位。
4）自動化生產(chan)線(xian)多為流(liu)水式(shi)，效率高(gao)、速(su)度快(kuai)，因此高(gao)速(su)檢測(ce)工藝應簡潔高(gao)效，且可(ke)以順暢地與生產(chan)線(xian)相融合。
3. 軸承套圈(quan)漏磁檢測的(de)勵磁方法與裝(zhuang)置
軸承套圈的磁化(hua)方式直(zhi)接和(he)(he)漏磁場信號強弱相關(guan)，其選擇及(ji)設計非常重要。常見(jian)的軸承套圈周向磁化(hua)方法有中心(xin)導體法、直(zhi)接通電法和(he)(he)繞電纜法，其優缺點見(jian)表7-5。
對比(bi)(bi)之后不(bu)(bu)難看出(chu)，上述方法(fa)均(jun)不(bu)(bu)適用于自動化(hua)漏(lou)磁檢測，為此，采(cai)用如圖7-63所示的(de)軸(zhou)承周(zhou)向(xiang)磁化(hua)方法(fa)，磁化(hua)器由U形(xing)鐵心(xin)纏繞線(xian)圈(quan)制成，可(ke)更(geng)換的(de)磁極可(ke)以滿足不(bu)(bu)同(tong)規格軸(zhou)承套圈(quan)的(de)磁化(hua)需求(qiu)。通(tong)過ANSYS仿真可(ke)以看出(chu)，此種磁化(hua)方式在遠離磁極的(de)位(wei)置可(ke)以獲(huo)得比(bi)(bi)較均(jun)勻的(de)周(zhou)向(xiang)磁場(chang)，且(qie)該(gai)磁化(hua)器結(jie)構可(ke)以方便(bian)地與流水生產線(xian)相結(jie)合，便(bian)于實現自動化(hua)。
選用(yong)16種軸承(cheng)套圈中橫截(jie)面(mian)(mian)積(ji)最大的(de)27315EK 02軸承(cheng)內圈，為保證(zheng)仿真順利進行，此處對(dui)仿真裂(lie)紋(wen)進行了(le)一定的(de)簡化，裂(lie)紋(wen)尺寸為0.5mm（寬）x0．mm（深）x3.0mm（長），x0.2mm上、下端面(mian)(mian)各1條(tiao)裂(lie)紋(wen)，沿軸向內表面(mian)(mian)等間距(ju)均勻分(fen)布(bu)3條(tiao)裂(lie)紋(wen)，外表面(mian)(mian)1條(tiao)裂(lie)紋(wen)。周向磁化器仿真模(mo)型如(ru)圖7-64所(suo)示。
仿真結果如圖7-65所示，通過對比可知：
1）上端面(mian)(mian)和內(nei)表面(mian)(mian)裂紋漏磁(ci)場B，分量(liang)圖(tu)像基本吻合，表明(ming)在該(gai)磁(ci)化方式及磁(ci)化強度(du)下(xia)，上端面(mian)(mian)與內(nei)表面(mian)(mian)具有較為一致的磁(ci)化效果(guo)。
2）沿軸(zhou)向等間距(ju)分布的(de)內(nei)表面裂(lie)紋(wen)1、2、3漏磁(ci)(ci)場分量圖(tu)像(xiang)基本(ben)吻合，表明在該磁(ci)(ci)化強度下，內(nei)表面磁(ci)(ci)化一致性(xing)較好，與(yu)裂(lie)紋(wen)離磁(ci)(ci)極(ji)的(de)距(ju)離無(wu)關。
3）下端(duan)面(mian)裂紋(wen)漏磁場B分(fen)量圖像(xiang)與外(wai)表(biao)面(mian)裂紋(wen)漏磁場B,分(fen)量圖像(xiang)基本吻合，但是相比于(yu)上端(duan)面(mian)、內表(biao)面(mian)強(qiang)度更小。這是由于(yu)下端(duan)面(mian)壁厚較大，而外(wai)表(biao)面(mian)由于(yu)位于(yu)套圈外(wai)圍，距離磁化(hua)場較遠，且磁場向(xiang)空氣中擴散更為嚴重(zhong)。
為了補償壁厚及套圈(quan)(quan)高度引起的磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)效(xiao)果不一(yi)致，需要進(jin)一(yi)步加強磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)強度，使得軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan)達到(dao)(dao)過飽和磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)狀(zhuang)態。然(ran)而(er)在實際檢(jian)測過程中，使得軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan)各個(ge)部分均(jun)達到(dao)(dao)飽和磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)狀(zhuang)態需要極多(duo)的線圈(quan)(quan)匝(za)數或(huo)極大的磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)電流，對于非定量軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan)檢(jian)測而(er)言，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)的意義在于使得最(zui)苛刻指標的缺陷仍可(ke)得到(dao)(dao)較理(li)想的信(xin)噪比即可(ke)，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)效(xiao)果不一(yi)致引起的漏磁(ci)(ci)(ci)場信(xin)號不一(yi)致可(ke)在軟件中予以修正。
如(ru)圖(tu)7-66所示，以(yi)GCr15（840℃油淬，190℃回(hui)火）為例(li)(li)，根據電磁(ci)(ci)檢測(ce)原(yuan)理，將工(gong)件磁(ci)(ci)化(hua)(hua)至飽和(he)(he)或近飽和(he)(he)狀(zhuang)態(tai)時，有利(li)于裂(lie)紋漏磁(ci)(ci)場的形成(cheng)與擴散，取近飽和(he)(he)區的H＝14800A／m點，此(ci)時對應的磁(ci)(ci)感應強度B≈1.125125T。以(yi)16種軸承套(tao)圈中(zhong)(zhong)橫截面積(ji)最(zui)大(533.5n5m㎡)的27315EK 02軸承內圈為例(li)(li)，大約為4075安匝。由于本計算模(mo)型沒有考慮泄(xie)漏到空(kong)氣中(zhong)(zhong)的磁(ci)(ci)通、磁(ci)(ci)滯損耗、渦流(liu)損耗，因此(ci)將計算出的結果乘以(yi)安全系數1.1，磁(ci)(ci)化(hua)(hua)器εm=NI=4482安匝。線(xian)圈匝數為600，選用(yong)φ1.7mm銅(tong)線(xian)繞制而(er)成(cheng)，通入7.5A的電流(liu)即可滿(man)足磁(ci)(ci)化(hua)(hua)要求。
根據上述(shu)計(ji)算結果，設計(ji)得到如圖7-67所示(shi)的(de)周向勵磁(ci)裝(zhuang)置，磁(ci)極部分可更換(huan)以適應不(bu)同(tong)規格的(de)軸承套圈，磁(ci)化器封(feng)罩用于保護內部漆包線，封(feng)罩上開(kai)百葉窗(chuang)輔助散(san)熱，加裝(zhuang)軸流式風扇散(san)熱以保證磁(ci)化器可長期工作。
二、檢測探(tan)頭
圖7-68所示為(wei)(wei)永磁(ci)(ci)(ci)磁(ci)(ci)(ci)軛探頭，它主(zhu)要由磁(ci)(ci)(ci)頭、永磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)S極(ji)(ji)(ji)、永磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)N極(ji)(ji)(ji)、橋(qiao)(qiao)接銜(xian)鐵(tie)及隔片組成，隔片用于調節(jie)磁(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)(ji)間距。檢測時，“N極(ji)(ji)(ji)→軸(zhou)承套圈(quan)→S極(ji)(ji)(ji)→橋(qiao)(qiao)接銜(xian)鐵(tie)”形成磁(ci)(ci)(ci)回路，如遇裂(lie)紋，漏磁(ci)(ci)(ci)場將被磁(ci)(ci)(ci)頭捕捉。永磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)尺寸為(wei)(wei)4mm×10mm×10mm正對(dui)軸(zhou)承套圈(quan)，為(wei)(wei)磁(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)(ji)面。信號放(fang)大電路為(wei)(wei)10×100倍(bei)兩級放(fang)大，軟件放(fang)大500倍(bei)。
如圖7-69所示，檢測對象為GCr15軸(zhou)承(cheng)套圈，大(da)端面刻(ke)蝕有寬0.1mm、深(shen)0.1mm、長10.0mm的人工刻(ke)槽。軸(zhou)承(cheng)套圈表面光滑，無(wu)銹蝕。
不(bu)同磁(ci)極間距檢測(ce)結果對比(bi)如圖7-70所示。磁(ci)極間距15mm時(shi)(shi)，可(ke)(ke)檢出(chu)信號，但信噪比(bi)不(bu)高，這是(shi)由于磁(ci)極離(li)磁(ci)心過近使之飽和的緣故；磁(ci)極間距17mm時(shi)(shi)，可(ke)(ke)檢出(chu)信號，且信噪比(bi)最佳；磁(ci)極間距19mm時(shi)(shi)，不(bu)能檢出(chu)信號。永磁(ci)體尺寸換為(wei)6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正對軸(zhou)承套(tao)圈(quan)，為(wei)磁(ci)極面時(shi)(shi)，不(bu)能檢出(chu)信號，同理這也是(shi)磁(ci)心飽和的緣故。
通(tong)過上述分(fen)析不難發(fa)現，含(han)磁(ci)(ci)(ci)心線圈用于檢測時，需特(te)別(bie)注意磁(ci)(ci)(ci)心飽和的問題(ti)，局部磁(ci)(ci)(ci)化(hua)在一定程度上降低了磁(ci)(ci)(ci)化(hua)成(cheng)本和磁(ci)(ci)(ci)化(hua)難度，但是(shi)由于磁(ci)(ci)(ci)化(hua)器(qi)距離傳感器(qi)較(jiao)近，對(dui)傳感器(qi)的影(ying)響也較(jiao)大。
短(duan)路磁(ci)(ci)通損耗與(yu)磁(ci)(ci)心前端氣(qi)(qi)隙寬度g、深(shen)度h有關(guan)；提離損耗與(yu)提離值(zhi)相關(guan)，在實際工程中體現(xian)在探頭耐磨(mo)層厚度及(ji)探頭機構的設計；低頻損耗與(yu)裂(lie)紋(wen)漏磁(ci)(ci)信(xin)號空(kong)間分(fen)布相關(guan)，即與(yu)裂(lie)紋(wen)尺寸及(ji)磁(ci)(ci)化狀況相關(guan)；氣(qi)(qi)隙寬度損耗與(yu)氣(qi)(qi)隙寬度g、裂(lie)紋(wen)漏磁(ci)(ci)信(xin)號空(kong)間分(fen)布相關(guan)；方位角損耗可(ke)歸為提離損耗；磁(ci)(ci)滯損耗可(ke)忽略；渦流損耗可(ke)以(yi)從(cong)磁(ci)(ci)心材料、探頭工藝等方面著手降低。
因此，從探頭(tou)設計的角度(du)(du)出發，主要關注(zhu)磁心前端氣隙寬度(du)(du)g、深度(du)(du)ha。
如圖7-71所示，磁頭式傳感器主(zhu)要由(you)線(xian)圈、兩片(pian)磁心主(zhu)瓣(ban)(ban)、兩片(pian)磁心旁(pang)瓣(ban)(ban)組成，前(qian)端(duan)縫(feng)隙中墊入不(bu)同厚度(du)的POM塑料(liao)片(pian)即可得到不(bu)同的氣(qi)(qi)隙寬度(du)g，氣(qi)(qi)隙深度(du)h。取決于機加工主(zhu)瓣(ban)(ban)、旁(pang)瓣(ban)(ban)尺(chi)寸。
如(ru)圖7-72所示，為(wei)驗證磁心前端氣隙深(shen)度(du)h。對信號的影響(xiang)，制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁頭(tou)式傳(chuan)感器，線圈匝數(shu)為(wei)400。人工傷的尺寸為(wei)（寬）×0.5mm(深(shen)）×10.0mm（長）。試驗過程(cheng)中使(shi)用的信號放大(da)板(ban)為(wei)10×100倍，軟(ruan)件放大(da)倍數(shu)為(wei)500倍。
所得原始信號(hao)經5階 Butterworth 濾(lv)波器濾(lv)波后，試(shi)驗結果如圖7-73所示，信號(hao)峰-峰值與前端氣(qi)隙(xi)深(shen)(shen)度(du)(du)h。近似成反比，氣(qi)隙(xi)深(shen)(shen)度(du)(du)越小(xiao)，越有(you)利于檢測，然而(er)氣(qi)隙(xi)深(shen)(shen)度(du)(du)越小(xiao)，探頭越不耐磨，因(yin)此實際的探頭制作中(zhong)，需要在兩者之間做平衡取舍。
如圖7-74所示，為驗證磁(ci)心前(qian)端(duan)氣隙(xi)寬度(du)g對信號(hao)的(de)(de)影響(xiang)，制作了氣隙(xi)深度(du)ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種磁(ci)頭式傳感器，線(xian)圈(quan)匝數為400。人工(gong)傷的(de)(de)尺(chi)寸為0.1mm（寬）)x0.5mm深）x10.0mm（長）。試驗過(guo)程中使用的(de)(de)信號(hao)放大板為10×100倍，軟件放大倍數為500倍。
試驗(yan)結果(guo)如圖7-75所示，氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度mm時，信(xin)號(hao)峰-峰值Vpp最(zui)大；在氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度m時出(chu)(chu)(chu)現(xian)(xian)了“檢(jian)測勢(shi)井(jing)”，當氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度m時，信(xin)號(hao)峰-峰值V在一定范圍內(nei)呈現(xian)(xian)出(chu)(chu)(chu)增長趨勢(shi)。這是由于在該試驗(yan)條件下(xia)，m時氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度損耗最(zui)大，因此無(wu)法有(you)效檢(jian)出(chu)(chu)(chu)信(xin)號(hao)。該結果(guo)表明，應用(yong)磁頭式傳感器進行檢(jian)測時，在裂紋漏磁信(xin)號(hao)空間(jian)(jian)分布未知的情況下(xia)，應該盡量減小前端(duan)氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度g，以防(fang)止(zhi)它與裂紋漏磁場(chang)空間(jian)(jian)分布出(chu)(chu)(chu)現(xian)(xian)耦(ou)合，形成“檢(jian)測勢(shi)井(jing)”。
如圖7-76所示(shi)，縱向傷陣列(lie)傳感(gan)器主要由線圈、疊層磁心、隔(ge)離片、屏蔽罩組成，探(tan)頭單(dan)元排(pai)成兩(liang)(liang)列(lie)并沿排(pai)布方向兩(liang)(liang)兩(liang)(liang)錯開一段距離，以消除單(dan)列(lie)探(tan)頭之間(jian)的探(tan)測盲(mang)區(qu)。
三(san)、檢測(ce)裝備
整套裝(zhuang)(zhuang)備主要分為檢測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、信(xin)號采集(ji)和處理(li)系(xi)統(tong)、PLC控制(zhi)系(xi)統(tong)、外圍供(gong)電(dian)供(gong)氣系(xi)統(tong)、物料傳送(song)以及(ji)(ji)上下料裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)五部分。本(ben)節的重(zhong)點在于檢測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、信(xin)號采集(ji)和處理(li)系(xi)統(tong)以及(ji)(ji)高速(su)檢測(ce)工藝。
1. 總體(ti)方(fang)案(an)
按照功能(neng)劃(hua)分(fen)，軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)裂紋(wen)漏磁(ci)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)裝(zhuang)備(bei)(bei)可以分(fen)為(wei)預置(zhi)、縱(zong)向傷檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)、剔除、退磁(ci)四個主(zhu)要工(gong)(gong)(gong)位。預置(zhi)工(gong)(gong)(gong)位為(wei)冗余過(guo)渡(du)工(gong)(gong)(gong)位，當(dang)前(qian)可作(zuo)為(wei)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)流(liu)程的過(guo)渡(du)工(gong)(gong)(gong)位，將來可為(wei)周向傷檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)裝(zhuang)置(zhi)提(ti)供(gong)安裝(zhuang)平臺。裝(zhuang)備(bei)(bei)主(zhu)體-縱(zong)向檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)主(zhu)機主(zhu)要包括(kuo)五個部分(fen)：軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)驅動裝(zhuang)置(zhi)、磁(ci)化裝(zhuang)置(zhi)、陣列探頭組件(jian)、信(xin)號調理采集處(chu)理系(xi)統以及自動化控制(zhi)系(xi)統。
軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈(quan)驅動(dong)(dong)裝置設(she)計(ji)要點：以圓錐滾子軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈(quan)為研究對(dui)象(xiang)，其形(xing)狀規(gui)整，為圓環形(xing)零件，適(shi)合旋轉(zhuan)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)；表面光潔，不需(xu)事先(xian)清潔處理；為便(bian)于實現工業自動(dong)(dong)化，不同尺寸規(gui)格軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈(quan)的(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)工位及上下料工位最(zui)好一致。綜合上述分析，采用軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈(quan)原(yuan)地旋轉(zhuan)、探(tan)頭貼(tie)合檢(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)(de)方式(shi)。
根(gen)據軸(zhou)承套(tao)圈漏磁(ci)檢測(ce)的(de)特點，擬(ni)訂軸(zhou)承套(tao)圈高速自動化漏磁(ci)檢測(ce)工(gong)藝流程，如圖7-77所示。
軸承套圈裂紋(wen)漏磁檢測裝備(bei)總體方案如圖7-78所示。
2. 檢測系統
檢測(ce)系(xi)統主要包(bao)括縱(zong)向傷檢測(ce)裝置(zhi)、剔除裝置(zhi)和退(tui)磁裝置(zhi)三(san)部分。
如圖7-79所示，縱向傷檢測(ce)裝(zhuang)置(zhi)可劃分為(wei)工(gong)(gong)件驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)、規格調整、磁化、壓(ya)(ya)緊(jin)、檢測(ce)和剔除六大主(zhu)體裝(zhuang)置(zhi)。工(gong)(gong)件驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)模(mo)(mo)塊(kuai)的主(zhu)要(yao)部件為(wei)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)機、驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)輪(lun)(lun)L、驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)輪(lun)(lun)R、萬向滾(gun)珠托架(jia)等(deng)。驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)機與齒(chi)輪(lun)(lun)直(zhi)連(lian)，經由齒(chi)輪(lun)(lun)組變速、變轉(zhuan)矩之(zhi)后(hou)傳(chuan)遞給兩個驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)輪(lun)(lun)，在壓(ya)(ya)緊(jin)模(mo)(mo)塊(kuai)的配合(he)下，摩擦帶動(dong)(dong)(dong)軸承套圈原地(di)旋轉(zhuan)。
規(gui)格(ge)調整(zheng)裝(zhuang)置主要(yao)由(you)手(shou)輪(lun)、減速(su)機、梯(ti)形絲杠、梯(ti)形螺母及(ji)壓緊軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)安(an)裝(zhuang)座等構(gou)成。如圖7-80所示，由(you)于上下(xia)料機械手(shou)與(yu)檢(jian)測裝(zhuang)置之間的距離相(xiang)對(dui)固(gu)定，為保證所有規(gui)格(ge)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套圈上下(xia)料工位位置相(xiang)同(tong)，更換軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套圈時，需要(yao)調整(zheng)設備狀態。減速(su)機起變速(su)、變向的作(zuo)用，30°梯(ti)形絲杠螺母機構(gou)既可(ke)傳動，也可(ke)自(zi)鎖，壓緊軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)安(an)裝(zhuang)座上開(kai)腰形通孔，可(ke)以調整(zheng)壓緊軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)與(yu)上下(xia)料工位之間的距離，適應(ying)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套圈規(gui)格(ge)的變化。
磁(ci)(ci)化(hua)裝置主要由(you)磁(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)、磁(ci)(ci)極、磁(ci)(ci)化(hua)器固定架(jia)和工業(ye)(ye)風(feng)扇等組成。磁(ci)(ci)極可(ke)更換(huan)規(gui)格，以配合軸(zhou)承套圈(quan)規(gui)格的(de)變化(hua)。工業(ye)(ye)現場常常要求(qiu)設備具有連續工作(zuo)能力，因(yin)此磁(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)的(de)散熱問題(ti)需要重視，此處采用軸(zhou)流式(shi)工業(ye)(ye)風(feng)扇散熱。
如圖7-81所示，壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)裝置主(zhu)要(yao)由(you)壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)氣(qi)缸(gang)、壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承安(an)裝座(zuo)、萬向滾(gun)珠(zhu)托(tuo)架(jia)和可(ke)(ke)擺動(dong)式壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)總成構成。壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)氣(qi)缸(gang)在檢(jian)測過(guo)程中提供(gong)持續(xu)的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)力(li)，萬向滾(gun)珠(zhu)托(tuo)舉軸(zhou)(zhou)承套圈(quan)，減(jian)小其在原地旋(xuan)轉(zhuan)過(guo)程中的(de)(de)摩擦力(li)，雙(shuang)驅動(dong)輪加雙(shuang)壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)輪的(de)(de)設(she)計(ji)雖然更加可(ke)(ke)靠，但是存在過(guo)定位(wei)的(de)(de)問題，因此壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)模塊設(she)計(ji)為可(ke)(ke)擺動(dong)式。下端面探頭(tou)陣列置于壓(ya)(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)輪之間，規格調整時跟隨軸(zhou)(zhou)承一起移(yi)動(dong)，可(ke)(ke)覆蓋所有系列軸(zhou)(zhou)承套圈(quan)下端面。
如圖7-82所示，檢(jian)測裝置主要由(you)外(wai)(wai)表面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、內(nei)(nei)(nei)表面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、下(xia)(xia)(xia)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)及其動(dong)(dong)(dong)作(zuo)機構組成(cheng)。其中(zhong)，外(wai)(wai)表面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)由(you)氣(qi)缸帶動(dong)(dong)(dong)，實(shi)現(xian)貼合(he)(he)及分離(li)工件，連接陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)與氣(qi)缸的(de)(de)零件可(ke)(ke)拆卸(xie)，方(fang)便工件規格變(bian)化時(shi)更換相應(ying)的(de)(de)外(wai)(wai)表面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)；內(nei)(nei)(nei)表面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接于(yu)擺(bai)臂一端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)，擺(bai)臂由(you)迷(mi)你(ni)氣(qi)缸帶動(dong)(dong)(dong)，實(shi)現(xian)貼合(he)(he)及分離(li)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)；上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接于(yu)浮動(dong)(dong)(dong)導桿(gan)一端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)，浮動(dong)(dong)(dong)導桿(gan)內(nei)(nei)(nei)置彈(dan)簧，可(ke)(ke)以適應(ying)不同軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈高度的(de)(de)變(bian)化并提(ti)供持續的(de)(de)壓緊(jin)力(li)；內(nei)(nei)(nei)表面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)與上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)固定在軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈上(shang)方(fang)的(de)(de)鋁型(xing)材(cai)上(shang)，并且可(ke)(ke)沿(yan)鋁型(xing)材(cai)調(diao)整位(wei)置；鋁型(xing)材(cai)由(you)氣(qi)動(dong)(dong)(dong)滑(hua)臺帶動(dong)(dong)(dong)，可(ke)(ke)上(shang)下(xia)(xia)(xia)移動(dong)(dong)(dong)。檢(jian)測前，固定于(yu)鋁型(xing)材(cai)上(shang)的(de)(de)內(nei)(nei)(nei)表面(mian)(mian)及上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)高位(wei)，軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈上(shang)料到位(wei)后，氣(qi)動(dong)(dong)(dong)滑(hua)臺動(dong)(dong)(dong)作(zuo)，內(nei)(nei)(nei)表面(mian)(mian)及上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)低位(wei)，其中(zhong)上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)貼緊(jin)上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)。隨后，迷(mi)你(ni)氣(qi)缸動(dong)(dong)(dong)作(zuo)，經由(you)擺(bai)臂帶動(dong)(dong)(dong)內(nei)(nei)(nei)表面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)貼緊(jin)內(nei)(nei)(nei)表面(mian)(mian)。下(xia)(xia)(xia)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)固定于(yu)兩壓緊(jin)軸(zhou)承(cheng)之間(jian)，可(ke)(ke)隨壓緊(jin)軸(zhou)承(cheng)安裝座一起調(diao)整，長度方(fang)向足以覆蓋(gai)該系列(lie)所有軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈下(xia)(xia)(xia)端(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)，陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)內(nei)(nei)(nei)置彈(dan)簧，可(ke)(ke)實(shi)現(xian)浮動(dong)(dong)(dong)壓緊(jin)，內(nei)(nei)(nei)置緊(jin)定螺釘，用(yong)于(yu)調(diao)節彈(dan)簧壓緊(jin)力(li)。
如圖(tu)7-83所示，剔(ti)除(chu)(chu)裝(zhuang)置主要由剔(ti)除(chu)(chu)氣(qi)缸(gang)、氣(qi)缸(gang)導(dao)桿、分料(liao)板和廢(fei)品(pin)收集槽組成。縱向(xiang)缺陷檢測(ce)裝(zhuang)置檢測(ce)完畢后，向(xiang)PLC控(kong)制系統反饋(kui)相應信息。若軸承套圈(quan)檢測(ce)為合格(ge)，則剔(ti)除(chu)(chu)氣(qi)缸(gang)不動(dong)作，機械手抓取(qu)(qu)工件(jian)在分料(liao)板上方停(ting)留(liu)一段時(shi)間之后運往下一工位（退磁工位）；若軸承套圈(quan)檢測(ce)為不合格(ge)，則剔(ti)除(chu)(chu)氣(qi)缸(gang)動(dong)作，帶動(dong)分料(liao)板上升(sheng)，機械手抓取(qu)(qu)工件(jian)將(jiang)其(qi)丟(diu)人到廢(fei)品(pin)收集槽中。
3. 高速自動化(hua)檢測工藝
如圖7-84所示(shi)，系統采用流水線(xian)式工(gong)(gong)(gong)藝流程，預(yu)置工(gong)(gong)(gong)位、縱向傷檢測工(gong)(gong)(gong)位、剔除工(gong)(gong)(gong)位、退磁工(gong)(gong)(gong)位依次排開，機(ji)械(xie)手組件(jian)將四個工(gong)(gong)(gong)位有機(ji)聯(lian)系起來。
四、現場應用
上述檢測系統(tong)在現場應用如(ru)圖7-85所示。
測(ce)試樣品及測(ce)試結(jie)(jie)果如圖7-86與(yu)(yu)圖7-87所示(shi)。測(ce)試結(jie)(jie)果表明，軸承套圈裂紋漏磁(ci)檢(jian)測(ce)裝置(zhi)具有良好的檢(jian)測(ce)靈敏度(du)與(yu)(yu)可靠性(xing)，檢(jian)測(ce)效率高(gao)。
