軸(zhou)承作為重(zhong)要的機(ji)械(xie)基(ji)(ji)(ji)礎(chu)(chu)件，其質量直接決定著(zhu)機(ji)械(xie)產品的性(xing)(xing)能以及可靠性(xing)(xing)。國家工信部規(gui)劃(hua)司(si)在機(ji)械(xie)領域“三基(ji)(ji)(ji)”（機(ji)械(xie)基(ji)(ji)(ji)礎(chu)(chu)件、基(ji)(ji)(ji)礎(chu)(chu)制造工藝和基(ji)(ji)(ji)礎(chu)(chu)材料）產業(ye)“十二(er)五”發展規(gui)劃(hua)中明確，指出(chu)圍(wei)繞重(zhong)大裝備和高端裝備配套(tao)需求，重(zhong)點發展高速、精密、重(zhong)載軸(zhou)承。
軸承(cheng)(cheng)作為機械裝置中(zhong)(zhong)最常用(yong)也最重要的(de)(de)(de)零部(bu)件之(zhi)一，其(qi)失效將直接導致設備故障、生產受(shou)阻甚至是人員傷亡。據統計，在(zai)旋轉機械的(de)(de)(de)現(xian)場故障中(zhong)(zhong)，由于軸承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)損傷而(er)引起的(de)(de)(de)故障大(da)約占30％，其(qi)中(zhong)(zhong)大(da)約90％的(de)(de)(de)故障來自軸承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)的(de)(de)(de)裂紋。因此提高軸承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)的(de)(de)(de)裂紋檢測(ce)能力(li)尤(you)為重要。
目前，軸承套圈檢(jian)測(ce)(ce)(ce)方法(fa)主要有磁(ci)粉檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、超聲(sheng)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、渦(wo)流檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、機(ji)器視(shi)覺法(fa)、巴克(ke)豪(hao)森法(fa)、聲(sheng)發射(she)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)等(deng)。其中，磁(ci)粉檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、超聲(sheng)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、渦(wo)流檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)使用較為普(pu)遍。
磁粉檢(jian)測(ce)法(fa)檢(jian)驗(yan)靈敏度高，缺陷顯示直(zhi)觀(guan)(guan)，不(bu)受(shou)工件(jian)大(da)小和形狀(zhuang)的限制，但是操作復雜，生(sheng)產率低(di)，且(qie)對(dui)環境有一定污染，磁痕觀(guan)(guan)察需(xu)要(yao)人(ren)工參(can)與，檢(jian)測(ce)結果受(shou)檢(jian)測(ce)人(ren)員主(zhu)觀(guan)(guan)意識和操作經驗(yan)影響，難(nan)以踐行統一的質(zhi)量標(biao)準(zhun)(zhun)；超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)檢(jian)測(ce)法(fa)在(zai)國外使用(yong)較為廣泛，歐洲已(yi)頒(ban)布(bu)相(xiang)應檢(jian)測(ce)標(biao)準(zhun)(zhun)《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)檢(jian)測(ce)法(fa)由于裂(lie)紋取向及(ji)聲(sheng)(sheng)(sheng)耦合對(dui)其影響大(da)，難(nan)以適應軸承(cheng)套圈形狀(zhuang)，檢(jian)測(ce)精度不(bu)高，需(xu)要(yao)檢(jian)測(ce)者有豐(feng)富經驗(yan)，所(suo)以影響了其在(zai)國內市場的推廣；渦流檢(jian)測(ce)法(fa)可實現(xian)非接觸式(shi)檢(jian)測(ce)，但是受(shou)工件(jian)形狀(zhuang)影響大(da)，且(qie)結果多(duo)以阻抗分析圖的形式(shi)展現(xian)，不(bu)直(zhi)觀(guan)(guan)，多(duo)用(yong)于軸承(cheng)圓柱滾子的檢(jian)測(ce)。
為解決(jue)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)生產中出現的實際問題，下面介(jie)紹一種基于漏磁原理的軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套圈(quan)裂紋(wen)檢測(ce)方法與裝置，可(ke)實現軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套圈(quan)的自動化高效檢測(ce)。
一、檢測原理
軸承套圈作為一種精密零(ling)部件，其表面質量較高，生(sheng)產過程中產生(sheng)的(de)裂紋(wen)多呈現出(chu)開口窄、長度短、深度淺的(de)特(te)點，屬于典型的(de)微小尺寸裂紋(wen)檢測問題。
1. 軸(zhou)承套圈的材料、結構(gou)、待檢測(ce)部位及缺(que)陷形式
a. 軸承鋼的(de)主要(yao)種(zhong)類
1）高碳鉻軸承(cheng)鋼：年(nian)產量約占軸承(cheng)鋼總產量的(de)80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中(zhong)GCr15 高碳鉻軸承(cheng)鋼由德國于1905年(nian)研(yan)制成功，得到了廣泛應用。
2）滲(shen)碳(tan)軸承鋼(gang)：經滲(shen)碳(tan)處理，兼具表(biao)面(mian)高(gao)硬高(gao)耐磨性及內部韌性。在美(mei)國的產量(liang)約占軸承鋼(gang)總產量(liang)的30％，在中國僅占3％左右。
3）中(zhong)碳軸承鋼：工藝相對簡單，且(qie)同(tong)樣達到表面硬(ying)化效(xiao)果，近年來發展較快。
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(bu)(bu)同(tong)(tong)材(cai)質或是相同(tong)(tong)材(cai)質、不(bu)(bu)同(tong)(tong)熱處理(li)工藝(yi)均會(hui)對軸承鋼的(de)磁(ci)化(hua)特性產生巨大影響，不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)磁(ci)化(hua)特性對應不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)磁(ci)化(hua)裝置參數(shu)，本書使用最為廣(guang)泛的(de)GCr15軸承鋼作(zuo)為研究(jiu)對象。
b. 軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)的(de)結構(gou)(gou)及待檢測部位 成品軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)一般由軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)外(wai)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)、軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)內(nei)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)、滾(gun)(gun)子保持架、滾(gun)(gun)子及附(fu)件組成，軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)結構(gou)(gou)形式較為多(duo)樣，同(tong)一套(tao)(tao)裝(zhuang)備難以(yi)同(tong)時滿足(zu)所有(you)類型(xing)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)的(de)檢測需求，研究其(qi)中使用較為廣泛的(de)圓錐滾(gun)(gun)子軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)具有(you)重要意義(yi)，相關研究方法(fa)可方便地變通之后推廣到其(qi)他類型(xing)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)。
如圖(tu)7-62所示，圓錐(zhui)滾(gun)子(zi)軸(zhou)承套(tao)圈為(wei)旋轉(zhuan)對稱零件，外(wai)圈可看作(zuo)由梯(ti)形繞中心軸(zhou)旋轉(zhuan)360°而成，上(shang)下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)為(wei)圓環平面(mian)(mian)，外(wai)表(biao)面(mian)(mian)為(wei)圓柱面(mian)(mian)，內表(biao)面(mian)(mian)為(wei)圓錐(zhui)面(mian)(mian)；內圈結構稍顯復雜，上(shang)下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)為(wei)圓環平面(mian)(mian)，外(wai)表(biao)面(mian)(mian)主體為(wei)圓錐(zhui)面(mian)(mian)，沿軸(zhou)向兩端(duan)(duan)含工藝槽及(ji)滾(gun)子(zi)定(ding)位臺階，內表(biao)面(mian)(mian)為(wei)圓柱面(mian)(mian)。
軸承外(wai)(wai)圈待檢(jian)(jian)測面(mian)(mian)(mian)包(bao)含(han)內(nei)圓(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)1、外(wai)(wai)圓(yuan)柱(zhu)面(mian)(mian)(mian)2、下(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)3和上端(duan)面(mian)(mian)(mian)4。軸承內(nei)圈待檢(jian)(jian)測面(mian)(mian)(mian)包(bao)含(han)外(wai)(wai)圓(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)1、內(nei)圓(yuan)柱(zhu)面(mian)(mian)(mian)2、下(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)3、上端(duan)面(mian)(mian)(mian)4。
c. 軸承(cheng)套圈(quan)的裂(lie)紋(wen)形式及產生原因
1）材料裂(lie)紋：材料裂(lie)紋產(chan)生(sheng)的原因主要(yao)是內(nei)部(bu)氣泡、嚴重的非金屬(shu)夾雜等(deng)，沿軋制方(fang)向呈(cheng)直線分(fen)布，以(yi)表(biao)面(mian)裂(lie)紋或折疊(die)的形式呈(cheng)現，在(zai)內(nei)部(bu)走向多指向圓心，且(qie)折疊(die)裂(lie)紋走向與表(biao)面(mian)近(jin)乎(hu)平行，漏磁場(chang)微弱。
2）發(fa)(fa)紋(wen)：材料表(biao)面或(huo)近表(biao)面毛(mao)發(fa)(fa)狀的細(xi)小裂紋(wen)，由鋼錠皮下氣泡或(huo)夾雜引起。外(wai)觀細(xi)小，一般長1～3mm，目檢(jian)時不(bu)易發(fa)(fa)現。
3）鍛造(zao)(zao)裂(lie)(lie)紋：包括(kuo)鍛造(zao)(zao)折疊(die)裂(lie)(lie)紋（切(qie)料不(bu)(bu)齊、毛刺、飛邊以及操(cao)作不(bu)(bu)當等(deng)原因造(zao)(zao)成）、過燒(shao)（鍛件溫(wen)度(du)過高或(huo)保溫(wen)時(shi)間(jian)過長造(zao)(zao)成）、濕裂(lie)(lie)（停鍛溫(wen)度(du)較(jiao)高，冷(leng)(leng)(leng)卻時(shi)局(ju)部(bu)或(huo)全部(bu)碰到冷(leng)(leng)(leng)卻水而急冷(leng)(leng)(leng)）、內裂(lie)(lie)（鍛造(zao)(zao)時(shi)加(jia)熱速度(du)過快，表面(mian)升溫(wen)高而內部(bu)升溫(wen)慢引起，一(yi)般出現在(zai)壁厚較(jiao)大(da)處）。鍛造(zao)(zao)裂(lie)(lie)紋較(jiao)粗(cu)大(da)，形(xing)狀不(bu)(bu)規則(ze)，存在(zai)鍛件表面(mian)，磁(ci)(ci)化(hua)時(shi)漏磁(ci)(ci)場較(jiao)弱，磁(ci)(ci)痕(hen)顯示不(bu)(bu)太(tai)清晰(xi)，剩磁(ci)(ci)法檢測容易產生漏檢。
4）淬火裂紋：因淬火時產生(sheng)的熱應力(li)及組織應力(li)引(yin)起，外(wai)貌極不(bu)規(gui)則，多在外(wai)徑上(shang)，嚴重時延伸到端(duan)面(mian)，一般(ban)較深。
5）磨削(xue)裂(lie)(lie)紋：磨削(xue)時冷卻不良，瞬(shun)時高(gao)溫(wen)引起表(biao)面(mian)應力集中，即(ji)會產生(sheng)磨削(xue)裂(lie)(lie)紋，主要分布在端面(mian)、擋邊、滾道、內徑及打字處，外徑表(biao)面(mian)較少出現(xian)(xian)，呈現(xian)(xian)短(duan)、淺(qian)、細(xi)的特點，與磨削(xue)方向垂直或成(cheng)一定(ding)角度。
2. 軸承套圈裂紋漏磁(ci)檢測(ce)系統的特(te)點
軸(zhou)承套圈裂紋漏(lou)磁檢(jian)測(ce)系(xi)統的優勢在于：可實現上下(xia)料、檢(jian)測(ce)、分選、退磁一體化自動化，極大地提高了檢(jian)測(ce)效率，降低了工人的勞動強度(du)。
然(ran)而，在(zai)具體的工程實(shi)施(shi)中，存在(zai)以下(xia)要(yao)點(dian)及難點(dian)：
1）軸(zhou)承(cheng)套圈尺寸形狀規格繁多，如何實(shi)現通用化檢(jian)(jian)測或(huo)者實(shi)現一定范(fan)圍內(nei)的通用化檢(jian)(jian)測存(cun)在工程實(shi)施難(nan)度。
2）隨(sui)著軸承(cheng)套圈加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝的(de)提(ti)(ti)(ti)升，軸承(cheng)套圈表面加(jia)工(gong)(gong)質量(liang)越來越高(gao)，生(sheng)(sheng)產過程中(zhong)產生(sheng)(sheng)的(de)裂紋(wen)多呈現出開(kai)口窄、深(shen)度(du)淺的(de)特點，屬于典(dian)型(xing)的(de)微小尺(chi)寸裂紋(wen)檢測問(wen)題，提(ti)(ti)(ti)高(gao)磁化能力(li)、提(ti)(ti)(ti)高(gao)傳感器(qi)檢測靈敏度(du)及空間(jian)分辨力(li)、提(ti)(ti)(ti)高(gao)信號處理能力(li)以在較(jiao)強背景噪聲中(zhong)提(ti)(ti)(ti)取有效信號是(shi)關鍵。
3）軸(zhou)承套圈尤其(qi)是軸(zhou)承內圈的結構較為(wei)復雜，需(xu)從結構及布置方(fang)式(shi)著手，減小提離(li)值并最大限(xian)度地覆蓋待檢測部位。
4）自動化生(sheng)產(chan)線(xian)多為(wei)流水式，效(xiao)(xiao)率高(gao)、速度快，因此高(gao)速檢測工藝應(ying)簡(jian)潔高(gao)效(xiao)(xiao)，且可(ke)以順暢地與生(sheng)產(chan)線(xian)相融合。
3. 軸(zhou)承套圈漏磁(ci)檢(jian)測(ce)的勵磁(ci)方(fang)法與裝(zhuang)置
軸(zhou)承套圈(quan)的磁(ci)(ci)化方式直(zhi)接和漏磁(ci)(ci)場信(xin)號強弱相關，其選擇(ze)及設(she)計非常重要。常見的軸(zhou)承套圈(quan)周向磁(ci)(ci)化方法(fa)(fa)有中心導體法(fa)(fa)、直(zhi)接通電法(fa)(fa)和繞電纜(lan)法(fa)(fa)，其優缺點見表7-5。
對比(bi)(bi)之后不(bu)難看出，上述方法均不(bu)適用于自(zi)(zi)動(dong)化(hua)漏磁(ci)檢(jian)測，為此(ci)，采用如圖7-63所(suo)示的(de)(de)(de)軸承(cheng)周向(xiang)磁(ci)化(hua)方法，磁(ci)化(hua)器由U形鐵心纏繞(rao)線圈(quan)(quan)制成，可更換的(de)(de)(de)磁(ci)極可以滿足不(bu)同規格軸承(cheng)套圈(quan)(quan)的(de)(de)(de)磁(ci)化(hua)需求(qiu)。通過ANSYS仿真可以看出，此(ci)種(zhong)磁(ci)化(hua)方式在遠離(li)磁(ci)極的(de)(de)(de)位置可以獲得比(bi)(bi)較均勻的(de)(de)(de)周向(xiang)磁(ci)場，且該(gai)磁(ci)化(hua)器結構可以方便地與流水生(sheng)產線相結合，便于實現(xian)自(zi)(zi)動(dong)化(hua)。
選(xuan)用(yong)16種軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈中橫截面(mian)積最大的(de)27315EK 02軸(zhou)(zhou)承(cheng)內圈，為保(bao)證仿(fang)真(zhen)(zhen)順利進行，此處對(dui)仿(fang)真(zhen)(zhen)裂(lie)紋(wen)進行了一定(ding)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)各1條裂(lie)紋(wen)，沿軸(zhou)(zhou)向內表面(mian)等間距均勻分布3條裂(lie)紋(wen)，外表面(mian)1條裂(lie)紋(wen)。周向磁化器仿(fang)真(zhen)(zhen)模型如(ru)圖7-64所示。
仿(fang)真結果如圖7-65所示，通過(guo)對(dui)比可(ke)知：
1）上端面(mian)(mian)和內表(biao)(biao)面(mian)(mian)裂紋漏磁場B，分量圖像基本吻合，表(biao)(biao)明在(zai)該磁化方(fang)式(shi)及磁化強度(du)下，上端面(mian)(mian)與內表(biao)(biao)面(mian)(mian)具有較為(wei)一致的磁化效(xiao)果。
2）沿軸向等間距(ju)分布的(de)內表面裂(lie)紋(wen)1、2、3漏磁場分量圖(tu)像基本吻(wen)合，表明在該磁化強度下，內表面磁化一致(zhi)性較好，與(yu)裂(lie)紋(wen)離磁極(ji)的(de)距(ju)離無(wu)關。
3）下(xia)(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)裂紋(wen)(wen)漏磁(ci)場B分量(liang)圖(tu)像(xiang)(xiang)與外(wai)表面(mian)(mian)裂紋(wen)(wen)漏磁(ci)場B,分量(liang)圖(tu)像(xiang)(xiang)基(ji)本吻合，但是相比于(yu)上端(duan)(duan)面(mian)(mian)、內(nei)表面(mian)(mian)強度(du)更小。這(zhe)是由于(yu)下(xia)(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)壁(bi)厚較(jiao)大，而外(wai)表面(mian)(mian)由于(yu)位于(yu)套圈外(wai)圍，距(ju)離磁(ci)化場較(jiao)遠，且磁(ci)場向(xiang)空(kong)氣中擴(kuo)散更為嚴重。
為了補(bu)償壁厚及套(tao)圈(quan)高度引起的(de)(de)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)效果(guo)不(bu)一(yi)致，需要(yao)進一(yi)步加強磁(ci)(ci)化(hua)(hua)強度，使(shi)得軸承套(tao)圈(quan)達(da)到(dao)過飽(bao)和磁(ci)(ci)化(hua)(hua)狀態(tai)。然(ran)而在(zai)實際檢(jian)測過程中，使(shi)得軸承套(tao)圈(quan)各個部分均達(da)到(dao)飽(bao)和磁(ci)(ci)化(hua)(hua)狀態(tai)需要(yao)極(ji)多的(de)(de)線(xian)圈(quan)匝數或極(ji)大的(de)(de)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)電流，對于(yu)非(fei)定量軸承套(tao)圈(quan)檢(jian)測而言，磁(ci)(ci)化(hua)(hua)的(de)(de)意義在(zai)于(yu)使(shi)得最(zui)苛刻(ke)指標的(de)(de)缺陷仍可得到(dao)較理想的(de)(de)信(xin)噪比即可，磁(ci)(ci)化(hua)(hua)效果(guo)不(bu)一(yi)致引起的(de)(de)漏磁(ci)(ci)場信(xin)號不(bu)一(yi)致可在(zai)軟(ruan)件中予以修正。
如圖7-66所示，以GCr15（840℃油淬，190℃回火）為(wei)例(li)，根據電磁(ci)檢測原理，將(jiang)工件磁(ci)化(hua)(hua)至飽和(he)(he)或近(jin)飽和(he)(he)狀態時，有(you)(you)利(li)于(yu)裂紋(wen)漏磁(ci)場的(de)形成與(yu)擴散，取(qu)近(jin)飽和(he)(he)區(qu)的(de)H＝14800A／m點，此(ci)時對應的(de)磁(ci)感應強度(du)B≈1.125125T。以16種軸承(cheng)套圈中橫截面積最大(533.5n5m㎡)的(de)27315EK 02軸承(cheng)內圈為(wei)例(li)，大約為(wei)4075安匝(za)。由于(yu)本計算(suan)(suan)模型(xing)沒有(you)(you)考慮泄(xie)漏到空氣中的(de)磁(ci)通、磁(ci)滯損耗、渦流損耗，因此(ci)將(jiang)計算(suan)(suan)出的(de)結果乘以安全系數1.1，磁(ci)化(hua)(hua)器εm=NI=4482安匝(za)。線圈匝(za)數為(wei)600，選用(yong)φ1.7mm銅線繞(rao)制(zhi)而成，通入7.5A的(de)電流即(ji)可滿(man)足磁(ci)化(hua)(hua)要(yao)求。
根據上述計算結果，設計得到如圖7-67所示的周向(xiang)勵(li)磁(ci)裝(zhuang)置，磁(ci)極部(bu)分可更(geng)換以(yi)適應不同規格的軸承套圈，磁(ci)化器封罩用于(yu)保護內部(bu)漆(qi)包線，封罩上開百葉窗輔助散熱，加裝(zhuang)軸流式風扇散熱以(yi)保證(zheng)磁(ci)化器可長期(qi)工(gong)作。
二、檢(jian)測探(tan)頭
圖7-68所(suo)示(shi)為(wei)(wei)永(yong)(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)軛探頭，它主要由磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)頭、永(yong)(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)鐵(tie)S極、永(yong)(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)鐵(tie)N極、橋(qiao)接銜鐵(tie)及(ji)隔片組成(cheng)，隔片用于調節磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極間距。檢測時，“N極→軸承(cheng)套(tao)圈(quan)→S極→橋(qiao)接銜鐵(tie)”形(xing)成(cheng)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)回路，如(ru)遇裂紋，漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場將(jiang)被磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)頭捕(bu)捉。永(yong)(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)鐵(tie)尺寸為(wei)(wei)4mm×10mm×10mm正對軸承(cheng)套(tao)圈(quan)，為(wei)(wei)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極面(mian)。信號放大電路為(wei)(wei)10×100倍兩級放大，軟件放大500倍。
如圖7-69所示，檢測(ce)對象為GCr15軸(zhou)承(cheng)套圈，大端(duan)面刻(ke)(ke)蝕(shi)有寬0.1mm、深0.1mm、長10.0mm的人工(gong)刻(ke)(ke)槽。軸(zhou)承(cheng)套圈表面光滑，無銹蝕(shi)。
不同(tong)(tong)磁(ci)極(ji)(ji)間(jian)距(ju)(ju)檢(jian)(jian)(jian)測結(jie)果對比如圖(tu)7-70所示。磁(ci)極(ji)(ji)間(jian)距(ju)(ju)15mm時(shi)，可檢(jian)(jian)(jian)出信(xin)(xin)號，但信(xin)(xin)噪(zao)比不高，這是由于磁(ci)極(ji)(ji)離磁(ci)心過(guo)近(jin)使之(zhi)飽(bao)和的緣(yuan)故；磁(ci)極(ji)(ji)間(jian)距(ju)(ju)17mm時(shi)，可檢(jian)(jian)(jian)出信(xin)(xin)號，且信(xin)(xin)噪(zao)比最佳；磁(ci)極(ji)(ji)間(jian)距(ju)(ju)19mm時(shi)，不能(neng)檢(jian)(jian)(jian)出信(xin)(xin)號。永磁(ci)體尺寸換為6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正對軸承(cheng)套圈，為磁(ci)極(ji)(ji)面(mian)時(shi)，不能(neng)檢(jian)(jian)(jian)出信(xin)(xin)號，同(tong)(tong)理這也是磁(ci)心飽(bao)和的緣(yuan)故。
通過(guo)上(shang)述分析不難(nan)發現(xian)，含磁(ci)(ci)(ci)心線圈用于檢測時，需特別注意磁(ci)(ci)(ci)心飽和的(de)問題(ti)，局部磁(ci)(ci)(ci)化(hua)在一(yi)定程度(du)上(shang)降(jiang)低了磁(ci)(ci)(ci)化(hua)成(cheng)本和磁(ci)(ci)(ci)化(hua)難(nan)度(du)，但(dan)是由于磁(ci)(ci)(ci)化(hua)器距離(li)傳感(gan)器較近，對傳感(gan)器的(de)影響也較大。
短路磁(ci)通損耗(hao)(hao)(hao)(hao)與磁(ci)心(xin)前端氣隙寬(kuan)(kuan)度g、深度h有關(guan)；提(ti)離損耗(hao)(hao)(hao)(hao)與提(ti)離值相(xiang)關(guan)，在實際工(gong)程中體現(xian)在探頭(tou)耐磨層厚度及(ji)探頭(tou)機構的設(she)計；低頻損耗(hao)(hao)(hao)(hao)與裂紋(wen)漏磁(ci)信(xin)號空間分布相(xiang)關(guan)，即(ji)與裂紋(wen)尺寸及(ji)磁(ci)化狀(zhuang)況相(xiang)關(guan)；氣隙寬(kuan)(kuan)度損耗(hao)(hao)(hao)(hao)與氣隙寬(kuan)(kuan)度g、裂紋(wen)漏磁(ci)信(xin)號空間分布相(xiang)關(guan)；方位角損耗(hao)(hao)(hao)(hao)可歸為提(ti)離損耗(hao)(hao)(hao)(hao)；磁(ci)滯(zhi)損耗(hao)(hao)(hao)(hao)可忽略；渦流(liu)損耗(hao)(hao)(hao)(hao)可以(yi)從磁(ci)心(xin)材料、探頭(tou)工(gong)藝等方面著手降低。
因此(ci)，從探頭設計的角度出(chu)發，主要關注磁(ci)心前端氣隙寬(kuan)度g、深度ha。
如圖7-71所(suo)示，磁頭式傳感器(qi)主要由線圈、兩片(pian)磁心主瓣、兩片(pian)磁心旁瓣組成(cheng)，前端(duan)縫隙(xi)(xi)中墊(dian)入不同厚(hou)度(du)(du)的POM塑料片(pian)即可得到(dao)不同的氣隙(xi)(xi)寬度(du)(du)g，氣隙(xi)(xi)深度(du)(du)h。取決于機加工(gong)主瓣、旁瓣尺(chi)寸(cun)。
如圖(tu)7-72所(suo)示，為(wei)(wei)(wei)驗證磁(ci)(ci)心前(qian)端氣隙深(shen)度(du)h。對信號的影響，制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁(ci)(ci)頭(tou)式傳感(gan)器，線圈匝數為(wei)(wei)(wei)400。人工傷的尺寸為(wei)(wei)(wei)（寬(kuan)）×0.5mm(深(shen)）×10.0mm（長）。試驗過程中使用的信號放(fang)大板為(wei)(wei)(wei)10×100倍，軟件(jian)放(fang)大倍數為(wei)(wei)(wei)500倍。
所(suo)得原始信號經5階 Butterworth 濾波器濾波后(hou)，試(shi)驗(yan)結果如圖7-73所(suo)示，信號峰-峰值(zhi)與前端氣(qi)隙深(shen)度h。近似成(cheng)反比，氣(qi)隙深(shen)度越(yue)小，越(yue)有利于檢測，然(ran)而氣(qi)隙深(shen)度越(yue)小，探(tan)頭越(yue)不(bu)耐(nai)磨(mo)，因此實際的探(tan)頭制作中，需要在兩者之間做平衡取舍。
如圖(tu)7-74所(suo)示，為驗證磁心前端氣隙寬(kuan)度(du)g對信號的(de)影(ying)響，制作(zuo)了(le)氣隙深度(du)ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六(liu)種磁頭式(shi)傳感(gan)器，線圈匝數(shu)為400。人工(gong)傷的(de)尺(chi)寸為0.1mm（寬(kuan)）)x0.5mm深）x10.0mm（長）。試(shi)驗過程中使(shi)用的(de)信號放大板為10×100倍，軟件放大倍數(shu)為500倍。
試驗結果如圖7-75所示，氣隙(xi)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)mm時(shi)，信號(hao)峰-峰值Vpp最大；在(zai)氣隙(xi)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)m時(shi)出現了“檢(jian)(jian)測(ce)(ce)勢(shi)井(jing)”，當氣隙(xi)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)m時(shi)，信號(hao)峰-峰值V在(zai)一定范圍(wei)內呈現出增長趨(qu)勢(shi)。這是由于在(zai)該(gai)試驗條件下(xia)(xia)，m時(shi)氣隙(xi)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)損耗最大，因此無法有效檢(jian)(jian)出信號(hao)。該(gai)結果表明，應(ying)(ying)用磁頭式傳感器進(jin)行檢(jian)(jian)測(ce)(ce)時(shi)，在(zai)裂(lie)紋漏(lou)(lou)磁信號(hao)空(kong)間分布未知的情況下(xia)(xia)，應(ying)(ying)該(gai)盡(jin)量減小前端氣隙(xi)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)g，以防止它與裂(lie)紋漏(lou)(lou)磁場(chang)空(kong)間分布出現耦(ou)合，形成“檢(jian)(jian)測(ce)(ce)勢(shi)井(jing)”。
如(ru)圖7-76所示，縱向傷陣(zhen)列(lie)傳感器主(zhu)要(yao)由(you)線圈、疊層磁(ci)心(xin)、隔離(li)片、屏蔽罩組成，探(tan)頭單元排成兩(liang)列(lie)并(bing)沿排布方(fang)向兩(liang)兩(liang)錯開一(yi)段距離(li)，以消除單列(lie)探(tan)頭之間的探(tan)測盲區。
三、檢測裝備
整套裝(zhuang)備(bei)主要分為(wei)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)、信號(hao)采集和處理(li)系(xi)統、PLC控制系(xi)統、外圍供(gong)電供(gong)氣系(xi)統、物料傳送以(yi)及(ji)上(shang)下(xia)料裝(zhuang)置(zhi)五部分。本節的重點在于檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)、信號(hao)采集和處理(li)系(xi)統以(yi)及(ji)高速檢(jian)測(ce)工藝。
1. 總體方案
按照(zhao)功(gong)能劃分(fen)，軸承套圈(quan)(quan)裂紋漏磁(ci)檢測裝備可以分(fen)為預置(zhi)、縱(zong)向傷檢測、剔(ti)除、退磁(ci)四個主要工(gong)位(wei)(wei)。預置(zhi)工(gong)位(wei)(wei)為冗余過渡(du)工(gong)位(wei)(wei)，當前可作為軸承套圈(quan)(quan)檢測流程的過渡(du)工(gong)位(wei)(wei)，將(jiang)來可為周向傷檢測裝置(zhi)提供安裝平(ping)臺。裝備主體-縱(zong)向檢測主機主要包括五(wu)個部分(fen)：軸承套圈(quan)(quan)驅動(dong)裝置(zhi)、磁(ci)化(hua)裝置(zhi)、陣列(lie)探頭(tou)組件、信號(hao)調(diao)理采集處理系(xi)統(tong)以及自動(dong)化(hua)控制(zhi)系(xi)統(tong)。
軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)驅動裝置設計要點(dian)：以(yi)圓錐滾子軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)為(wei)研究對象(xiang)，其(qi)形狀規(gui)(gui)整，為(wei)圓環(huan)形零件，適(shi)合(he)旋轉檢測；表面光潔(jie)，不需事先清潔(jie)處理；為(wei)便于實現工業(ye)自動化，不同尺(chi)寸規(gui)(gui)格軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)的(de)檢測工位及(ji)上下料工位最好一致。綜(zong)合(he)上述分析(xi)，采用軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)原地旋轉、探頭(tou)貼合(he)檢測的(de)方式。
根據軸承套(tao)圈漏磁檢(jian)測(ce)的特點，擬訂軸承套(tao)圈高(gao)速自動化漏磁檢(jian)測(ce)工藝流程，如圖7-77所示。
軸承套圈裂(lie)紋漏磁檢(jian)測裝備總體方案(an)如圖7-78所示。
2. 檢測(ce)系統
檢(jian)測系統主要包括縱(zong)向傷檢(jian)測裝置(zhi)、剔(ti)除(chu)裝置(zhi)和退磁(ci)裝置(zhi)三部(bu)分。
如(ru)圖7-79所示，縱(zong)向(xiang)傷檢測(ce)裝(zhuang)置可劃分為工件(jian)驅(qu)動(dong)(dong)、規格調整、磁化(hua)、壓緊(jin)、檢測(ce)和剔除六大主體裝(zhuang)置。工件(jian)驅(qu)動(dong)(dong)模塊(kuai)的(de)主要部(bu)件(jian)為驅(qu)動(dong)(dong)電(dian)動(dong)(dong)機、驅(qu)動(dong)(dong)輪(lun)L、驅(qu)動(dong)(dong)輪(lun)R、萬向(xiang)滾珠托(tuo)架等。驅(qu)動(dong)(dong)電(dian)動(dong)(dong)機與齒輪(lun)直連，經由(you)齒輪(lun)組變速、變轉矩之后傳遞給兩個驅(qu)動(dong)(dong)輪(lun)，在壓緊(jin)模塊(kuai)的(de)配合(he)下(xia)，摩擦帶(dai)動(dong)(dong)軸承套圈(quan)原(yuan)地旋轉。
規(gui)格調(diao)整裝(zhuang)置(zhi)主要(yao)由(you)手輪(lun)、減(jian)(jian)速機(ji)、梯(ti)形絲杠、梯(ti)形螺母及壓(ya)緊軸(zhou)(zhou)承安裝(zhuang)座等構成。如(ru)圖7-80所(suo)示，由(you)于上(shang)(shang)(shang)下(xia)料機(ji)械手與(yu)(yu)檢測裝(zhuang)置(zhi)之間(jian)的(de)距離相對固定，為保(bao)證所(suo)有規(gui)格軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈上(shang)(shang)(shang)下(xia)料工(gong)位位置(zhi)相同(tong)，更換軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈時，需要(yao)調(diao)整設備狀態。減(jian)(jian)速機(ji)起變速、變向(xiang)的(de)作(zuo)用(yong)，30°梯(ti)形絲杠螺母機(ji)構既可傳動(dong)，也可自鎖，壓(ya)緊軸(zhou)(zhou)承安裝(zhuang)座上(shang)(shang)(shang)開腰形通(tong)孔，可以調(diao)整壓(ya)緊軸(zhou)(zhou)承與(yu)(yu)上(shang)(shang)(shang)下(xia)料工(gong)位之間(jian)的(de)距離，適應軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈規(gui)格的(de)變化(hua)。
磁(ci)(ci)化裝置主要由磁(ci)(ci)化線圈(quan)、磁(ci)(ci)極、磁(ci)(ci)化器固定架和工(gong)業(ye)(ye)風扇(shan)等(deng)組成。磁(ci)(ci)極可(ke)更(geng)換(huan)規格(ge)(ge)，以配(pei)合軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)規格(ge)(ge)的變化。工(gong)業(ye)(ye)現場(chang)常(chang)常(chang)要求設備具有(you)連續(xu)工(gong)作能(neng)力，因此(ci)磁(ci)(ci)化線圈(quan)的散熱(re)問(wen)題需(xu)要重(zhong)視(shi)，此(ci)處采用(yong)軸(zhou)流(liu)式工(gong)業(ye)(ye)風扇(shan)散熱(re)。
如圖7-81所(suo)示，壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)主要(yao)由壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)氣缸(gang)(gang)、壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)軸(zhou)承(cheng)安裝(zhuang)(zhuang)座、萬(wan)(wan)向滾(gun)(gun)珠托架和可擺動式(shi)壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)總成構成。壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)氣缸(gang)(gang)在檢測(ce)過(guo)程中(zhong)提供(gong)持續的(de)壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)力，萬(wan)(wan)向滾(gun)(gun)珠托舉軸(zhou)承(cheng)套圈，減(jian)小其在原地旋(xuan)轉過(guo)程中(zhong)的(de)摩(mo)擦力，雙(shuang)驅動輪(lun)加雙(shuang)壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)輪(lun)的(de)設(she)(she)計雖然更(geng)加可靠，但是存在過(guo)定位的(de)問題，因此壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)模塊設(she)(she)計為可擺動式(shi)。下端面探頭陣列(lie)置(zhi)于壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)輪(lun)之間，規格(ge)調(diao)整(zheng)時跟(gen)隨軸(zhou)承(cheng)一起移動，可覆蓋所(suo)有系列(lie)軸(zhou)承(cheng)套圈下端面。
如圖7-82所示(shi)，檢(jian)測裝置主要由(you)(you)(you)外(wai)(wai)表(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、內表(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、下(xia)(xia)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)及(ji)其動(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)機構組成。其中(zhong)，外(wai)(wai)表(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)由(you)(you)(you)氣缸帶動(dong)(dong)(dong)，實現貼合及(ji)分離(li)工件，連接陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)與(yu)(yu)氣缸的(de)零件可(ke)拆卸(xie)，方便工件規格(ge)變化時更換相應的(de)外(wai)(wai)表(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)；內表(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接于(yu)(yu)擺臂(bei)一端(duan)(duan)，擺臂(bei)由(you)(you)(you)迷(mi)你氣缸帶動(dong)(dong)(dong)，實現貼合及(ji)分離(li)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)；上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接于(yu)(yu)浮(fu)動(dong)(dong)(dong)導桿一端(duan)(duan)，浮(fu)動(dong)(dong)(dong)導桿內置彈簧，可(ke)以適應不(bu)同軸(zhou)承套圈(quan)高度的(de)變化并提(ti)供(gong)持續的(de)壓(ya)緊力；內表(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)與(yu)(yu)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)固(gu)定(ding)在軸(zhou)承套圈(quan)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)方的(de)鋁(lv)型(xing)材上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)，并且可(ke)沿鋁(lv)型(xing)材調整位(wei)置；鋁(lv)型(xing)材由(you)(you)(you)氣動(dong)(dong)(dong)滑臺帶動(dong)(dong)(dong)，可(ke)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)下(xia)(xia)移動(dong)(dong)(dong)。檢(jian)測前，固(gu)定(ding)于(yu)(yu)鋁(lv)型(xing)材上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)的(de)內表(biao)(biao)面(mian)及(ji)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)高位(wei)，軸(zhou)承套圈(quan)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)料到位(wei)后，氣動(dong)(dong)(dong)滑臺動(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)，內表(biao)(biao)面(mian)及(ji)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)低位(wei)，其中(zhong)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)貼緊上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)。隨(sui)后，迷(mi)你氣缸動(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)，經(jing)由(you)(you)(you)擺臂(bei)帶動(dong)(dong)(dong)內表(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)貼緊內表(biao)(biao)面(mian)。下(xia)(xia)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)固(gu)定(ding)于(yu)(yu)兩壓(ya)緊軸(zhou)承之間，可(ke)隨(sui)壓(ya)緊軸(zhou)承安(an)裝座一起調整，長度方向足以覆蓋該系(xi)列(lie)所有(you)軸(zhou)承套圈(quan)下(xia)(xia)端(duan)(duan)面(mian)，陣(zhen)(zhen)列(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)內置彈簧，可(ke)實現浮(fu)動(dong)(dong)(dong)壓(ya)緊，內置緊定(ding)螺釘(ding)，用于(yu)(yu)調節彈簧壓(ya)緊力。
如圖7-83所示，剔(ti)除裝置主要由剔(ti)除氣(qi)缸、氣(qi)缸導桿(gan)、分(fen)料板和廢品收集槽組成。縱向缺陷檢測(ce)裝置檢測(ce)完畢后，向PLC控(kong)制系統(tong)反饋相應(ying)信息(xi)。若軸(zhou)承套(tao)圈(quan)檢測(ce)為合(he)格，則(ze)剔(ti)除氣(qi)缸不動作(zuo)，機(ji)械手抓(zhua)取工件在(zai)分(fen)料板上(shang)方(fang)停留一段時間之后運往下一工位（退(tui)磁工位）；若軸(zhou)承套(tao)圈(quan)檢測(ce)為不合(he)格，則(ze)剔(ti)除氣(qi)缸動作(zuo)，帶動分(fen)料板上(shang)升，機(ji)械手抓(zhua)取工件將其(qi)丟(diu)人到廢品收集槽中。
3. 高速自動化檢測(ce)工藝
如(ru)圖7-84所示，系統采用流(liu)水線(xian)式工(gong)(gong)藝(yi)流(liu)程，預置工(gong)(gong)位、縱(zong)向(xiang)傷檢測(ce)工(gong)(gong)位、剔除工(gong)(gong)位、退(tui)磁(ci)工(gong)(gong)位依次排開，機械手(shou)組件(jian)將四個工(gong)(gong)位有機聯系起來。
四、現場應用
上述檢測系統在現(xian)場應用如圖(tu)7-85所示。
測(ce)試樣品及測(ce)試結果(guo)如(ru)圖7-86與(yu)圖7-87所示。測(ce)試結果(guo)表明，軸承套圈裂紋漏磁(ci)檢(jian)測(ce)裝置具有良(liang)好(hao)的(de)檢(jian)測(ce)靈(ling)敏(min)度與(yu)可(ke)靠性，檢(jian)測(ce)效率(lv)高。
