在(zai)鋼棒的(de)(de)(de)生產過程中會產生裂(lie)紋、夾(jia)雜和分(fen)層等缺(que)陷而影響(xiang)鋼棒質量，其(qi)中，鋼棒的(de)(de)(de)表面(mian)縱(zong)向裂(lie)紋約占所有缺(que)陷的(de)(de)(de)70％。針對鋼棒的(de)(de)(de)實際缺(que)陷類(lei)型，一般采用(yong)復合檢測(ce)(ce)的(de)(de)(de)方法(fa)對其(qi)質量狀況進行綜合評(ping)定，如超聲(sheng)法(fa)主要檢測(ce)(ce)鋼棒的(de)(de)(de)內部(bu)縱(zong)向裂(lie)紋、漏(lou)磁法(fa)主要檢測(ce)(ce)鋼棒的(de)(de)(de)表面(mian)軸向裂(lie)紋。
鋼(gang)棒(bang)(bang)軸向(xiang)裂紋(wen)(wen)將嚴重影(ying)響產(chan)(chan)品質量，生產(chan)(chan)過程中有(you)效(xiao)檢(jian)(jian)出鋼(gang)棒(bang)(bang)中的軸向(xiang)裂紋(wen)(wen)特別是微裂紋(wen)(wen)尤為必要。對(dui)于表(biao)面(mian)精拔加工的軸承生產(chan)(chan)用鋼(gang)棒(bang)(bang)，采(cai)用交流漏磁(ci)檢(jian)(jian)測能夠有(you)效(xiao)探測微小(xiao)裂紋(wen)(wen)。針對(dui)鋼(gang)棒(bang)(bang)表(biao)面(mian)軸向(xiang)裂紋(wen)(wen)，直流磁(ci)化漏磁(ci)檢(jian)(jian)測一般難以適(shi)用。
這里，介紹一(yi)種基于鋼(gang)棒螺旋(xuan)運動、探頭(tou)固(gu)定的鋼(gang)棒縱向(xiang)裂紋自動檢測(ce)方(fang)法與裝置。采用(yong)(yong)C形局部交流磁(ci)化(hua)器(qi)對鋼(gang)棒進(jin)行勵磁(ci)，并(bing)采用(yong)(yong)相(xiang)應的陣(zhen)列(lie)傳感器(qi)來拾(shi)取裂紋漏磁(ci)信號，最后通過計算(suan)機(ji)處理系統(tong)實施定量化(hua)檢測(ce)與評估，獲得穩定的檢測(ce)靈(ling)敏度(du)，具有廣泛的應用(yong)(yong)價值。
一、檢測原理
漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測方法(fa)分為直(zhi)流(liu)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)和(he)(he)交(jiao)流(liu)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)，圖(tu)7-26所示為鋼(gang)管和(he)(he)鋼(gang)棒(bang)周向直(zhi)流(liu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)時(shi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場分布對比(bi)。由圖(tu)可知，鋼(gang)管易被磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)至(zhi)飽和(he)(he)狀態(tai)，缺陷漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場比(bi)較大(da)；而(er)鋼(gang)棒(bang)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)時(shi)，由于為實心，磁(ci)(ci)(ci)(ci)力線(xian)沒(mei)有環繞至(zhi)鋼(gang)棒(bang)表面，而(er)直(zhi)接穿過鋼(gang)棒(bang)中心，表面縱向裂(lie)紋(wen)(wen)幾乎沒(mei)有漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場泄漏(lou)(lou)(lou)，為此，類似鋼(gang)管軸向裂(lie)紋(wen)(wen)的直(zhi)流(liu)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)方法(fa)難以(yi)在鋼(gang)棒(bang)上實施。由于趨(qu)膚效應(ying)，交(jiao)流(liu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場集中于工件表面，對表面軸向裂(lie)紋(wen)(wen)的檢(jian)測將(jiang)更為敏感，所以(yi)，鋼(gang)棒(bang)軸向裂(lie)紋(wen)(wen)的檢(jian)測宜(yi)采用交(jiao)流(liu)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測方法(fa)。
常(chang)用(yong)的交(jiao)流漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器有穿過(guo)式線圈磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器和局(ju)(ju)部(bu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)軛式磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器，用(yong)于縱(zong)向裂紋(wen)檢測(ce)的僅能(neng)采(cai)用(yong)后者(zhe)。圖(tu)7-27所示(shi)為采(cai)用(yong)局(ju)(ju)部(bu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)軛式磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器的鋼棒(bang)(bang)交(jiao)流漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)檢測(ce)原(yuan)理圖(tu)。磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器由C形高(gao)導磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)材(cai)料(liao)和勵磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)線圈組成，其中勵磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)線圈環(huan)繞制在(zai)C形高(gao)導磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)材(cai)料(liao)上(shang)，勵磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)線圈中施加一(yi)定頻(pin)率(lv)的交(jiao)流電(dian)流。檢測(ce)元件與磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器一(yi)起與鋼棒(bang)(bang)形成相對螺旋運(yun)動，當檢測(ce)元件掃(sao)查(cha)至裂紋(wen)區域時可獲(huo)得裂紋(wen)信號。
二(er)、整體方(fang)案
鋼棒交流漏(lou)磁檢測(ce)(ce)系(xi)統方(fang)案如圖7-28所示。檢測(ce)(ce)單元由(you)交流漏(lou)磁磁化器(qi)和陣列傳(chuan)感器(qi)組成；信(xin)號(hao)(hao)(hao)處(chu)(chu)(chu)理(li)過程中(zhong)，檢測(ce)(ce)中(zhong)缺陷處(chu)(chu)(chu)的(de)交流漏(lou)磁場與交流激勵場相疊加，為調制信(xin)號(hao)(hao)(hao)，因此需要對(dui)信(xin)號(hao)(hao)(hao)進行(xing)解調處(chu)(chu)(chu)理(li)，濾(lv)除原(yuan)交流勵磁信(xin)號(hao)(hao)(hao)，保留裂紋信(xin)號(hao)(hao)(hao)，然后再進行(xing)放大(da)濾(lv)波處(chu)(chu)(chu)理(li)。
為實現(xian)(xian)(xian)鋼(gang)棒縱向(xiang)裂紋的全覆(fu)蓋(gai)自動化檢測(ce)(ce)，檢測(ce)(ce)探(tan)頭需要在(zai)鋼(gang)棒表面形(xing)成螺旋線(xian)掃查路(lu)徑。目前，主要有兩(liang)種實現(xian)(xian)(xian)方式：①檢測(ce)(ce)單元(yuan)靜止，鋼(gang)棒做(zuo)螺旋推進(jin)運(yun)動；②檢測(ce)(ce)單元(yuan)旋轉，鋼(gang)棒做(zuo)直線(xian)運(yun)動。第二種多出(chu)現(xian)(xian)(xian)在(zai)進(jin)口的檢測(ce)(ce)設備中，旋轉機(ji)構(gou)包括周向(xiang)磁化器、檢測(ce)(ce)探(tan)靴、集電(dian)環、初步調(diao)理電(dian)路(lu)等(deng)，結構(gou)龐大、價(jia)格昂貴。相比之下，采用(yong)第一種運(yun)動方式可(ke)避免主機(ji)的回轉運(yun)動，使系統(tong)結構(gou)得(de)到大大簡化，檢測(ce)(ce)成本低。這里采用(yong)基(ji)于鋼(gang)棒螺旋推進(jin)的運(yun)動方式。
三、檢測(ce)探頭
軸向(xiang)裂紋檢(jian)測應具備(bei)兩大(da)要素(su)：一是(shi)外加磁場方向(xiang)應最大(da)限度地與軸向(xiang)裂紋垂直(zhi)，以激勵(li)出最大(da)強(qiang)度的漏磁場；二是(shi)磁場測量單元應該具有足夠的靈敏度。
1. 交流(liu)漏磁磁化器
鋼(gang)棒直徑越(yue)小，軸向裂紋的檢測穩(wen)定(ding)性(xing)越(yue)難以(yi)保(bao)證。圖7-29所示為(wei)C形(xing)磁化器檢測狀態圖。
該方(fang)案有(you)如下優點：
a. 經(jing)過(guo)鋼棒的有效主(zhu)磁通更大，并且能保(bao)證磁場方向同軸向裂紋正交，裂紋漏磁場更大。
磁(ci)化(hua)器所產(chan)生的(de)磁(ci)通(tong)路(lu)徑(jing)有(you)兩條：一是經過(guo)鋼棒(bang)(bang)的(de)主磁(ci)通(tong)，二是不經過(guo)鋼棒(bang)(bang)的(de)漏磁(ci)Φ通(tong)，即在(zai)磁(ci)化(hua)器兩極之間(jian)傳遞的(de)磁(ci)通(tong)。故(gu)在(zai)磁(ci)路(lu)內的(de)總磁(ci)通(tong)為(wei)
Φo=Φs+Φ, (7-1)
常規交(jiao)流漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測一(yi)般(ban)使用(yong)U型磁(ci)(ci)軛(e)，磁(ci)(ci)極(ji)平面(mian)一(yi)般(ban)與(yu)鋼(gang)棒(bang)表面(mian)相切(qie)。本方案的C形(xing)磁(ci)(ci)極(ji)用(yong)弧面(mian)與(yu)鋼(gang)棒(bang)表面(mian)貼合(he)，氣隙漏(lou)磁(ci)(ci)通量少，有效增大進入鋼(gang)棒(bang)的主(zhu)磁(ci)(ci)通量。
b. 對于(yu)小規格鋼棒，磁(ci)極(ji)與鋼棒表面貼合不好，會使(shi)傳感器檢測區域偏離(li)磁(ci)化中心區，對信(xin)號產生(sheng)干擾。在自(zi)動(dong)化檢測中，這種動(dong)態偏離(li)將引起較大的干擾，降低檢測信(xin)噪(zao)比和靈敏度。C形(xing)磁(ci)化器及其磁(ci)極(ji)實現了較好的對中，檢測信(xin)號穩定(ding)，振動(dong)干擾小。
在(zai)檢測不同直徑的(de)鋼(gang)棒(bang)時，鋼(gang)棒(bang)中(zhong)心(xin)高會發生變化，浮(fu)動對中(zhong)機(ji)構可(ke)良好地實現探(tan)頭跟蹤(zong)，減少干擾噪聲。利(li)用滑軌滑塊機(ji)構可(ke)實現檢測探(tan)頭裝置(zhi)的(de)整體上下移動，以適應鋼(gang)棒(bang)的(de)中(zhong)心(xin)高變化。氣缸可(ke)使檢測單(dan)元(yuan)在(zai)鋼(gang)棒(bang)螺(luo)旋前(qian)進過程(cheng)中(zhong)緊密貼合鋼(gang)棒(bang)，避免提離值的(de)變化對檢測信號的(de)影響，如圖(tu)7-30所示。
2. 陣列傳感器
為提高檢(jian)測速度(du)并滿足全(quan)覆蓋一(yi)致性檢(jian)測，傳感器設(she)計成陣列(lie)式，以增(zeng)加探頭軸向覆蓋范圍，防止缺(que)陷(xian)漏檢(jian)。鋼棒螺(luo)旋前進的螺(luo)距一(yi)般稍小于探頭軸向覆蓋范圍，鋼棒運行螺(luo)距越大，系統檢(jian)測速度(du)越高。
由于檢測(ce)過程中(zhong)會出現多種機械電氣干(gan)擾而形成背(bei)景噪(zao)聲(sheng)，將傳感器單元設計為差分(fen)式結構來消除部分(fen)干(gan)擾信號。如(ru)圖7-31所示(shi)，檢測(ce)單元由扁平線圈及聚磁鐵心組成，虛線框(kuang)為一個(ge)差分(fen)單元。探頭(tou)(tou)耐磨(mo)層采(cai)用(yong)陶瓷片，實踐證明具(ju)有(you)很(hen)好的耐磨(mo)效果(guo)，在具(ju)體(ti)應用(yong)過程中(zhong)只需定期更換陶瓷片，即可延(yan)長(chang)探頭(tou)(tou)的使用(yong)壽命。
四、現場應用
鋼(gang)棒(bang)軸向裂紋(wen)自動(dong)檢(jian)測(ce)裝置如圖7-32所(suo)示，系統由信號(hao)勵磁源、計算機、采集卡、信號(hao)處理(li)電(dian)路(lu)、輔機裝置和檢(jian)測(ce)單(dan)元(yuan)等組成。圖中(zhong)所(suo)示裝置僅(jin)用(yong)了1個(ge)檢(jian)測(ce)單(dan)元(yuan)，其軸向覆蓋范(fan)圍為50mm，調節輥道的擺角，使ф24mm鋼(gang)棒(bang)行駛(shi)螺(luo)(luo)距小(xiao)于50mm。當檢(jian)測(ce)單(dan)元(yuan)增加到8個(ge)時，檢(jian)測(ce)螺(luo)(luo)距達到500mm，檢(jian)測(ce)直線速度可提升到60m／min。
待(dai)檢(jian)鋼棒如圖7-33所示，表面共有四個軸向(xiang)裂紋，長(chang)均(jun)為(wei)40mm，寬均(jun)為(wei)0.2mm，裂紋深依次為(wei)0.30mm、0.15mm、0.25mm和0.30mm。
對(dui)鋼棒表面(mian)進行自動化檢測(ce)，所得信(xin)號如圖7-34所示。由檢測(ce)信(xin)號可知，該裝置對(dui)表面(mian)不(bu)同深(shen)度的軸(zhou)向裂紋有穩定(ding)可靠的檢測(ce)能力(li)，且(qie)信(xin)噪(zao)比較好。
交(jiao)流漏(lou)磁法對鋼棒表面軸向裂紋具有較高的(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)靈敏度。局部(bu)磁軛磁化(hua)器(qi)易與陣(zhen)列(lie)傳感器(qi)實現一體化(hua)，采用C形(xing)局部(bu)磁化(hua)器(qi)和陣(zhen)列(lie)傳感器(qi)設(she)計，使得檢(jian)(jian)測(ce)(ce)結構更簡單(dan)、小型化(hua)，有利于自動化(hua)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)的(de)實施。該(gai)系統裂紋檢(jian)(jian)測(ce)(ce)深度最淺(qian)可達(da)0.15mm，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)速度可達(da)60m／min，滿足鋼棒自動化(hua)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)需求(qiu)。
