軸承作為重要的機械基礎件,其質(zhì)量直接決定著(zhù)機械產(chǎn)品的性能以及可靠性。國家工信部規劃司在機械領(lǐng)域“三基”(機械基礎件、基礎制造工藝和基礎材料)產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規劃中明確,指出圍繞重大裝備和高端裝備配套需求,重點(diǎn)發(fā)展高速、精密、重載軸承。


  軸承作為機械裝置中最常用也最重要的零部件之一,其失效將直接導致設備故障、生產(chǎn)受阻甚至是人員傷亡。據統計,在旋轉機械的現場(chǎng)故障中,由于軸承套圈損傷而引起的故障大約占30%,其中大約90%的故障來(lái)自軸承套圈的裂紋。因此提高軸承套圈的裂紋檢測能力尤為重要。


  目前,軸承套圈檢測方法主要有磁粉檢測法、超聲檢測法、渦流檢測法、機器視覺(jué)法、巴克豪森法、聲發(fā)射檢測法等。其中,磁粉檢測法、超聲檢測法、渦流檢測法使用較為普遍。


  磁粉檢測法檢驗靈敏度高,缺陷顯示直觀(guān),不受工件大小和形狀的限制,但是操作復雜,生產(chǎn)率低,且對環(huán)境有一定污染,磁痕觀(guān)察需要人工參與,檢測結果受檢測人員主觀(guān)意識和操作經(jīng)驗影響,難以踐行統一的質(zhì)量標準;超聲檢測法在國外使用較為廣泛,歐洲已頒布相應檢測標準《EN12080:Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》,但超聲檢測法由于裂紋取向及聲耦合對其影響大,難以適應軸承套圈形狀,檢測精度不高,需要檢測者有豐富經(jīng)驗,所以影響了其在國內市場(chǎng)的推廣;渦流檢測法可實(shí)現非接觸式檢測,但是受工件形狀影響大,且結果多以阻抗分析圖的形式展現,不直觀(guān),多用于軸承圓柱滾子的檢測。


  為解決軸承生產(chǎn)中出現的實(shí)際問(wèn)題,下面介紹一種基于漏磁原理的軸承套圈裂紋檢測方法與裝置,可實(shí)現軸承套圈的自動(dòng)化高效檢測。


一、檢測原理


  軸承套圈作為一種精密零部件,其表面質(zhì)量較高,生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋多呈現出開(kāi)口窄、長(cháng)度短、深度淺的特點(diǎn),屬于典型的微小尺寸裂紋檢測問(wèn)題。


 1. 軸承套圈的材料、結構、待檢測部位及缺陷形式


  a. 軸承鋼的主要種類(lèi)


   1)高碳鉻軸承鋼:年產(chǎn)量約占軸承鋼總產(chǎn)量的80%,包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列,而其中GCr15 高碳鉻軸承鋼由德國于1905年研制成功,得到了廣泛應用。


   2)滲碳軸承鋼:經(jīng)滲碳處理,兼具表面高硬高耐磨性及內部韌性。在美國的產(chǎn)量約占軸承鋼總產(chǎn)量的30%,在中國僅占3%左右。


   3)中碳軸承鋼:工藝相對簡(jiǎn)單,且同樣達到表面硬化效果,近年來(lái)發(fā)展較快。


   4)不銹鋼軸承鋼:用于制造在腐蝕環(huán)境下工作的軸承及某些部件。


  不同材質(zhì)或是相同材質(zhì)、不同熱處理工藝均會(huì )對軸承鋼的磁化特性產(chǎn)生巨大影響,不同的磁化特性對應不同的磁化裝置參數,本書(shū)使用最為廣泛的GCr15軸承鋼作為研究對象。


  b. 軸承套圈的結構及待檢測部位 成品軸承一般由軸承外套圈、軸承內套圈、滾子保持架、滾子及附件組成,軸承套圈結構形式較為多樣,同一套裝備難以同時(shí)滿(mǎn)足所有類(lèi)型軸承套圈的檢測需求,研究其中使用較為廣泛的圓錐滾子軸承套圈具有重要意義,相關(guān)研究方法可方便地變通之后推廣到其他類(lèi)型軸承套圈。


  如圖7-62所示,圓錐滾子軸承套圈為旋轉對稱(chēng)零件,外圈可看作由梯形繞中心軸旋轉360°而成,上下端面為圓環(huán)平面,外表面為圓柱面,內表面為圓錐面;內圈結構稍顯復雜,上下端面為圓環(huán)平面,外表面主體為圓錐面,沿軸向兩端含工藝槽及滾子定位臺階,內表面為圓柱面。


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軸承外圈待檢測面包含內圓錐面1、外圓柱面2、下端面3和上端面4。軸承內圈待檢測面包含外圓錐面1、內圓柱面2、下端面3、上端面4。


  c. 軸承套圈的裂紋形式及產(chǎn)生原因


   1)材料裂紋:材料裂紋產(chǎn)生的原因主要是內部氣泡、嚴重的非金屬夾雜等,沿軋制方向呈直線(xiàn)分布,以表面裂紋或折疊的形式呈現,在內部走向多指向圓心,且折疊裂紋走向與表面近乎平行,漏磁場(chǎng)微弱。


   2)發(fā)紋:材料表面或近表面毛發(fā)狀的細小裂紋,由鋼錠皮下氣泡或夾雜引起。外觀(guān)細小,一般長(cháng)1~3mm,目檢時(shí)不易發(fā)現。


   3)鍛造裂紋:包括鍛造折疊裂紋(切料不齊、毛刺、飛邊以及操作不當等原因造成)、過(guò)燒(鍛件溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(cháng)造成)、濕裂(停鍛溫度較高,冷卻時(shí)局部或全部碰到冷卻水而急冷)、內裂(鍛造時(shí)加熱速度過(guò)快,表面升溫高而內部升溫慢引起,一般出現在壁厚較大處)。鍛造裂紋較粗大,形狀不規則,存在鍛件表面,磁化時(shí)漏磁場(chǎng)較弱,磁痕顯示不太清晰,剩磁法檢測容易產(chǎn)生漏檢。


   4)淬火裂紋:因淬火時(shí)產(chǎn)生的熱應力及組織應力引起,外貌極不規則,多在外徑上,嚴重時(shí)延伸到端面,一般較深。


   5)磨削裂紋:磨削時(shí)冷卻不良,瞬時(shí)高溫引起表面應力集中,即會(huì )產(chǎn)生磨削裂紋,主要分布在端面、擋邊、滾道、內徑及打字處,外徑表面較少出現,呈現短、淺、細的特點(diǎn),與磨削方向垂直或成一定角度。


 2. 軸承套圈裂紋漏磁檢測系統的特點(diǎn)


  軸承套圈裂紋漏磁檢測系統的優(yōu)勢在于:可實(shí)現上下料、檢測、分選、退磁一體化自動(dòng)化,極大地提高了檢測效率,降低了工人的勞動(dòng)強度。


  然而,在具體的工程實(shí)施中,存在以下要點(diǎn)及難點(diǎn):


   1)軸承套圈尺寸形狀規格繁多,如何實(shí)現通用化檢測或者實(shí)現一定范圍內的通用化檢測存在工程實(shí)施難度。


   2)隨著(zhù)軸承套圈加工工藝的提升,軸承套圈表面加工質(zhì)量越來(lái)越高,生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋多呈現出開(kāi)口窄、深度淺的特點(diǎn),屬于典型的微小尺寸裂紋檢測問(wèn)題,提高磁化能力、提高傳感器檢測靈敏度及空間分辨力、提高信號處理能力以在較強背景噪聲中提取有效信號是關(guān)鍵。


   3)軸承套圈尤其是軸承內圈的結構較為復雜,需從結構及布置方式著(zhù)手,減小提離值并最大限度地覆蓋待檢測部位。


   4)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)多為流水式,效率高、速度快,因此高速檢測工藝應簡(jiǎn)潔高效,且可以順暢地與生產(chǎn)線(xiàn)相融合。


 3. 軸承套圈漏磁檢測的勵磁方法與裝置


  軸承套圈的磁化方式直接和漏磁場(chǎng)信號強弱相關(guān),其選擇及設計非常重要。常見(jiàn)的軸承套圈周向磁化方法有中心導體法、直接通電法和繞電纜法,其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表7-5。


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  對比之后不難看出,上述方法均不適用于自動(dòng)化漏磁檢測,為此,采用如圖7-63所示的軸承周向磁化方法,磁化器由U形鐵心纏繞線(xiàn)圈制成,可更換的磁極可以滿(mǎn)足不同規格軸承套圈的磁化需求。通過(guò)ANSYS仿真可以看出,此種磁化方式在遠離磁極的位置可以獲得比較均勻的周向磁場(chǎng),且該磁化器結構可以方便地與流水生產(chǎn)線(xiàn)相結合,便于實(shí)現自動(dòng)化。


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  選用16種軸承套圈中橫截面積最大的27315EK 02軸承內圈,為保證仿真順利進(jìn)行,此處對仿真裂紋進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,裂紋尺寸為0.5mm(寬)x0.mm(深)x3.0mm(長(cháng)),x0.2mm上、下端面各1條裂紋,沿軸向內表面等間距均勻分布3條裂紋,外表面1條裂紋。周向磁化器仿真模型如圖7-64所示。


  仿真結果如圖7-65所示,通過(guò)對比可知:


   1)上端面和內表面裂紋漏磁場(chǎng)B,分量圖像基本吻合,表明在該磁化方式及磁化強度下,上端面與內表面具有較為一致的磁化效果。


   2)沿軸向等間距分布的內表面裂紋1、2、3漏磁場(chǎng)分量圖像基本吻合,表明在該磁化強度下,內表面磁化一致性較好,與裂紋離磁極的距離無(wú)關(guān)。


   3)下端面裂紋漏磁場(chǎng)B分量圖像與外表面裂紋漏磁場(chǎng)B,分量圖像基本吻合,但是相比于上端面、內表面強度更小。這是由于下端面壁厚較大,而外表面由于位于套圈外圍,距離磁化場(chǎng)較遠,且磁場(chǎng)向空氣中擴散更為嚴重。


  為了補償壁厚及套圈高度引起的磁化效果不一致,需要進(jìn)一步加強磁化強度,使得軸承套圈達到過(guò)飽和磁化狀態(tài)。然而在實(shí)際檢測過(guò)程中,使得軸承套圈各個(gè)部分均達到飽和磁化狀態(tài)需要極多的線(xiàn)圈匝數或極大的磁化電流,對于非定量軸承套圈檢測而言,磁化的意義在于使得最苛刻指標的缺陷仍可得到較理想的信噪比即可,磁化效果不一致引起的漏磁場(chǎng)信號不一致可在軟件中予以修正。


  如圖7-66所示,以GCr15(840℃油淬,190℃回火)為例,根據電磁檢測原理,將工件磁化至飽和或近飽和狀態(tài)時(shí),有利于裂紋漏磁場(chǎng)的形成與擴散,取近飽和區的H=14800A/m點(diǎn),此時(shí)對應的磁感應強度B≈1.125125T。以16種軸承套圈中橫截面積最大(533.5n5m㎡)的27315EK 02軸承內圈為例,大約為4075安匝。由于本計算模型沒(méi)有考慮泄漏到空氣中的磁通、磁滯損耗、渦流損耗,因此將計算出的結果乘以安全系數1.1,磁化器εm=NI=4482安匝。線(xiàn)圈匝數為600,選用φ1.7mm銅線(xiàn)繞制而成,通入7.5A的電流即可滿(mǎn)足磁化要求。


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  根據上述計算結果,設計得到如圖7-67所示的周向勵磁裝置,磁極部分可更換以適應不同規格的軸承套圈,磁化器封罩用于保護內部漆包線(xiàn),封罩上開(kāi)百葉窗輔助散熱,加裝軸流式風(fēng)扇散熱以保證磁化器可長(cháng)期工作。


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二、檢測探頭


  圖7-68所示為永磁磁軛探頭,它主要由磁頭、永磁鐵S極、永磁鐵N極、橋接銜鐵及隔片組成,隔片用于調節磁極間距。檢測時(shí),“N極→軸承套圈→S極→橋接銜鐵”形成磁回路,如遇裂紋,漏磁場(chǎng)將被磁頭捕捉。永磁鐵尺寸為4mm×10mm×10mm正對軸承套圈,為磁極面。信號放大電路為10×100倍兩級放大,軟件放大500倍。


  如圖7-69所示,檢測對象為GCr15軸承套圈,大端面刻蝕有寬0.1mm、深0.1mm、長(cháng)10.0mm的人工刻槽。軸承套圈表面光滑,無(wú)銹蝕。


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  不同磁極間距檢測結果對比如圖7-70所示。磁極間距15mm時(shí),可檢出信號,但信噪比不高,這是由于磁極離磁心過(guò)近使之飽和的緣故;磁極間距17mm時(shí),可檢出信號,且信噪比最佳;磁極間距19mm時(shí),不能檢出信號。永磁體尺寸換為6mm×10mm×10mn,其中6mm×10mm 正對軸承套圈,為磁極面時(shí),不能檢出信號,同理這也是磁心飽和的緣故。


  通過(guò)上述分析不難發(fā)現,含磁心線(xiàn)圈用于檢測時(shí),需特別注意磁心飽和的問(wèn)題,局部磁化在一定程度上降低了磁化成本和磁化難度,但是由于磁化器距離傳感器較近,對傳感器的影響也較大。


  短路磁通損耗與磁心前端氣隙寬度g、深度h有關(guān);提離損耗與提離值相關(guān),在實(shí)際工程中體現在探頭耐磨層厚度及探頭機構的設計;低頻損耗與裂紋漏磁信號空間分布相關(guān),即與裂紋尺寸及磁化狀況相關(guān);氣隙寬度損耗與氣隙寬度g、裂紋漏磁信號空間分布相關(guān);方位角損耗可歸為提離損耗;磁滯損耗可忽略;渦流損耗可以從磁心材料、探頭工藝等方面著(zhù)手降低。


  因此,從探頭設計的角度出發(fā),主要關(guān)注磁心前端氣隙寬度g、深度ha。


  如圖7-71所示,磁頭式傳感器主要由線(xiàn)圈、兩片磁心主瓣、兩片磁心旁瓣組成,前端縫隙中墊入不同厚度的POM塑料片即可得到不同的氣隙寬度g,氣隙深度h。取決于機加工主瓣、旁瓣尺寸。


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  如圖7-72所示,為驗證磁心前端氣隙深度h。對信號的影響,制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁頭式傳感器,線(xiàn)圈匝數為400。人工傷的尺寸為(寬)×0.5mm(深)×10.0mm(長(cháng))。試驗過(guò)程中使用的信號放大板為10×100倍,軟件放大倍數為500倍。


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  所得原始信號經(jīng)5階 Butterworth 濾波器濾波后,試驗結果如圖7-73所示,信號峰-峰值與前端氣隙深度h。近似成反比,氣隙深度越小,越有利于檢測,然而氣隙深度越小,探頭越不耐磨,因此實(shí)際的探頭制作中,需要在兩者之間做平衡取舍。


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  如圖7-74所示,為驗證磁心前端氣隙寬度g對信號的影響,制作了氣隙深度ha=1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種磁頭式傳感器,線(xiàn)圈匝數為400。人工傷的尺寸為0.1mm(寬))x0.5mm深)x10.0mm(長(cháng))。試驗過(guò)程中使用的信號放大板為10×100倍,軟件放大倍數為500倍。


  試驗結果如圖7-75所示,氣隙寬度mm時(shí),信號峰-峰值Vpp最大;在氣隙寬度m時(shí)出現了“檢測勢井”,當氣隙寬度m時(shí),信號峰-峰值V在一定范圍內呈現出增長(cháng)趨勢。這是由于在該試驗條件下,m時(shí)氣隙寬度損耗最大,因此無(wú)法有效檢出信號。該結果表明,應用磁頭式傳感器進(jìn)行檢測時(shí),在裂紋漏磁信號空間分布未知的情況下,應該盡量減小前端氣隙寬度g,以防止它與裂紋漏磁場(chǎng)空間分布出現耦合,形成“檢測勢井”。


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  如圖7-76所示,縱向傷陣列傳感器主要由線(xiàn)圈、疊層磁心、隔離片、屏蔽罩組成,探頭單元排成兩列并沿排布方向兩兩錯開(kāi)一段距離,以消除單列探頭之間的探測盲區。


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三、檢測裝備


  整套裝備主要分為檢測裝置、信號采集和處理系統、PLC控制系統、外圍供電供氣系統、物料傳送以及上下料裝置五部分。本節的重點(diǎn)在于檢測裝置、信號采集和處理系統以及高速檢測工藝。


 1. 總體方案


  按照功能劃分,軸承套圈裂紋漏磁檢測裝備可以分為預置、縱向傷檢測、剔除、退磁四個(gè)主要工位。預置工位為冗余過(guò)渡工位,當前可作為軸承套圈檢測流程的過(guò)渡工位,將來(lái)可為周向傷檢測裝置提供安裝平臺。裝備主體-縱向檢測主機主要包括五個(gè)部分:軸承套圈驅動(dòng)裝置、磁化裝置、陣列探頭組件、信號調理采集處理系統以及自動(dòng)化控制系統。


  軸承套圈驅動(dòng)裝置設計要點(diǎn):以圓錐滾子軸承套圈為研究對象,其形狀規整,為圓環(huán)形零件,適合旋轉檢測;表面光潔,不需事先清潔處理;為便于實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化,不同尺寸規格軸承套圈的檢測工位及上下料工位最好一致。綜合上述分析,采用軸承套圈原地旋轉、探頭貼合檢測的方式。


  根據軸承套圈漏磁檢測的特點(diǎn),擬訂軸承套圈高速自動(dòng)化漏磁檢測工藝流程,如圖7-77所示。


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  軸承套圈裂紋漏磁檢測裝備總體方案如圖7-78所示。



 2. 檢測系統


  檢測系統主要包括縱向傷檢測裝置、剔除裝置和退磁裝置三部分。


  如圖7-79所示,縱向傷檢測裝置可劃分為工件驅動(dòng)、規格調整、磁化、壓緊、檢測和剔除六大主體裝置。工件驅動(dòng)模塊的主要部件為驅動(dòng)電動(dòng)機、驅動(dòng)輪L、驅動(dòng)輪R、萬(wàn)向滾珠托架等。驅動(dòng)電動(dòng)機與齒輪直連,經(jīng)由齒輪組變速、變轉矩之后傳遞給兩個(gè)驅動(dòng)輪,在壓緊模塊的配合下,摩擦帶動(dòng)軸承套圈原地旋轉。


  規格調整裝置主要由手輪、減速機、梯形絲杠、梯形螺母及壓緊軸承安裝座等構成。如圖7-80所示,由于上下料機械手與檢測裝置之間的距離相對固定,為保證所有規格軸承套圈上下料工位位置相同,更換軸承套圈時(shí),需要調整設備狀態(tài)。減速機起變速、變向的作用,30°梯形絲杠螺母機構既可傳動(dòng),也可自鎖,壓緊軸承安裝座上開(kāi)腰形通孔,可以調整壓緊軸承與上下料工位之間的距離,適應軸承套圈規格的變化。


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  磁化裝置主要由磁化線(xiàn)圈、磁極、磁化器固定架和工業(yè)風(fēng)扇等組成。磁極可更換規格,以配合軸承套圈規格的變化。工業(yè)現場(chǎng)常常要求設備具有連續工作能力,因此磁化線(xiàn)圈的散熱問(wèn)題需要重視,此處采用軸流式工業(yè)風(fēng)扇散熱。


  如圖7-81所示,壓緊裝置主要由壓緊氣缸、壓緊軸承安裝座、萬(wàn)向滾珠托架和可擺動(dòng)式壓緊總成構成。壓緊氣缸在檢測過(guò)程中提供持續的壓緊力,萬(wàn)向滾珠托舉軸承套圈,減小其在原地旋轉過(guò)程中的摩擦力,雙驅動(dòng)輪加雙壓緊輪的設計雖然更加可靠,但是存在過(guò)定位的問(wèn)題,因此壓緊模塊設計為可擺動(dòng)式。下端面探頭陣列置于壓緊輪之間,規格調整時(shí)跟隨軸承一起移動(dòng),可覆蓋所有系列軸承套圈下端面。


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  如圖7-82所示,檢測裝置主要由外表面陣列探頭、內表面陣列探頭、上端面陣列探頭、下端面陣列探頭及其動(dòng)作機構組成。其中,外表面陣列探頭由氣缸帶動(dòng),實(shí)現貼合及分離工件,連接陣列探頭與氣缸的零件可拆卸,方便工件規格變化時(shí)更換相應的外表面陣列探頭;內表面陣列探頭鉸接于擺臂一端,擺臂由迷你氣缸帶動(dòng),實(shí)現貼合及分離動(dòng)作;上端面陣列探頭鉸接于浮動(dòng)導桿一端,浮動(dòng)導桿內置彈簧,可以適應不同軸承套圈高度的變化并提供持續的壓緊力;內表面陣列探頭與上端面陣列探頭固定在軸承套圈上方的鋁型材上,并且可沿鋁型材調整位置;鋁型材由氣動(dòng)滑臺帶動(dòng),可上下移動(dòng)。檢測前,固定于鋁型材上的內表面及上端面陣列探頭處于高位,軸承套圈上料到位后,氣動(dòng)滑臺動(dòng)作,內表面及上端面陣列探頭處于低位,其中上端面陣列探頭貼緊上端面。隨后,迷你氣缸動(dòng)作,經(jīng)由擺臂帶動(dòng)內表面陣列探頭貼緊內表面。下端面陣列探頭固定于兩壓緊軸承之間,可隨壓緊軸承安裝座一起調整,長(cháng)度方向足以覆蓋該系列所有軸承套圈下端面,陣列探頭內置彈簧,可實(shí)現浮動(dòng)壓緊,內置緊定螺釘,用于調節彈簧壓緊力。


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  如圖7-83所示,剔除裝置主要由剔除氣缸、氣缸導桿、分料板和廢品收集槽組成??v向缺陷檢測裝置檢測完畢后,向PLC控制系統反饋相應信息。若軸承套圈檢測為合格,則剔除氣缸不動(dòng)作,機械手抓取工件在分料板上方停留一段時(shí)間之后運往下一工位(退磁工位);若軸承套圈檢測為不合格,則剔除氣缸動(dòng)作,帶動(dòng)分料板上升,機械手抓取工件將其丟人到廢品收集槽中。


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 3. 高速自動(dòng)化檢測工藝


   如圖7-84所示,系統采用流水線(xiàn)式工藝流程,預置工位、縱向傷檢測工位、剔除工位、退磁工位依次排開(kāi),機械手組件將四個(gè)工位有機聯(lián)系起來(lái)。


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四、現場(chǎng)應用


  上述檢測系統在現場(chǎng)應用如圖7-85所示。


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  測試樣品及測試結果如圖7-86與圖7-87所示。測試結果表明,軸承套圈裂紋漏磁檢測裝置具有良好的檢測靈敏度與可靠性,檢測效率高。


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