軸承作為重要的機械基礎件，其質量直接決定著機械產品的性能以及可靠性。國家(jia)工信部規劃(hua)司在機械領域(yu)“三基”（機械基礎件、基礎製造工藝(yi)和基礎材料）產業“十二五”發展規劃(hua)中明確，指(zhi)出圍繞重大裝備和高端裝備配套需求，重點發展高速、精密、重載軸承。
軸承作為機械裝置中最常用也最重要的零(ling)部件之一，其失效將(jiang)直接導致(zhi)設備故障(zhang)、生產受阻甚至(zhi)是人員(yuan)傷亡。據統計，在旋轉機械的現場故障(zhang)中，由於軸承套圈損傷而引起的故障(zhang)大約占30％，其中大約90％的故障(zhang)來自軸承套圈的裂紋。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、機器視覺法、巴克豪森法、聲發射檢測法等。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(que)陷顯示直觀，不受工件大小和形狀的限製，但是操作複(fu)雜，生產率低，且(qie)對環境有一定汙染，磁痕觀察需要人工參與，檢測結果受檢測人員(yuan)主觀意識和操作經驗影響，難以踐行統一的質量標準；超聲檢測法在國外使用較為廣泛，歐(ou)洲已頒布相應檢測標準《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超聲檢測法由於裂紋取向及聲耦合對其影響大，難以適(shi)應軸承套圈形狀，檢測精度不高，需要檢測者(zhe)有豐富經驗，所以影響了其在國內市(shi)場的推廣；渦流檢測法可實現非接觸式檢測，但是受工件形狀影響大，且(qie)結果多以阻抗分析圖的形式展現，不直觀，多用於軸承圓柱滾子的檢測。
為解決軸承生產中出現的實際(ji)問題，下麵介紹一種基於漏磁原理的軸承套圈裂紋檢測方法與裝置，可實現軸承套圈的自動化高效檢測。
一、檢測原理
軸承套圈作為一種精密零(ling)部件，其表麵質量較高，生產過程中產生的裂紋多呈現出開口窄、長度短、深度淺的特點，屬於典型的微小尺寸裂紋檢測問題。
1. 軸承套圈的材料、結構、待檢測部位及缺(que)陷形式
a. 軸承鋼的主要種類
1）高碳鉻軸承鋼：年產量約占軸承鋼總產量的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等係列，而其中GCr15 高碳鉻軸承鋼由德(de)國於1905年研製成功，得(de)到了廣泛應用。
2）滲碳軸承鋼：經滲碳處理，兼具表麵高硬高耐(nai)磨性及內部韌性。在美國的產量約占軸承鋼總產量的30％，在中國僅占3％左右。
3）中碳軸承鋼：工藝(yi)相對簡單(dan)，且(qie)同樣達(da)到表麵硬化效果，近年來發展較快。
4）不鏽鋼軸承鋼：用於製造在腐蝕環境下工作的軸承及某(mou)些(xie)部件。
不同材質或是相同材質、不同熱處理工藝(yi)均(jun)會(hui)對軸承鋼的磁化特性產生巨大影響，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滿足所有類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，相關研究方法可方便(bian)地變通之後推廣到其他類型軸承套圈。
如圖7-62所示，圓錐滾子軸承套圈為旋轉對稱零(ling)件，外圈可看(kan)作由梯形繞中心軸旋轉360°而成，上下端麵為圓環平麵，外表麵為圓柱麵，內表麵為圓錐麵；內圈結構稍顯複(fu)雜，上下端麵為圓環平麵，外表麵主體為圓錐麵，沿軸向兩端含工藝(yi)槽及滾子定位台階，內表麵為圓柱麵。
軸承外圈待檢測麵包含內圓錐麵1、外圓柱麵2、下端麵3和上端麵4。軸承內圈待檢測麵包含外圓錐麵1、內圓柱麵2、下端麵3、上端麵4。
c. 軸承套圈的裂紋形式及產生原因
1）材料裂紋：材料裂紋產生的原因主要是內部氣泡、嚴重的非金屬夾(jia)雜等，沿軋製方向呈直線分布，以表麵裂紋或折(zhe)疊的形式呈現，在內部走向多指(zhi)向圓心，且(qie)折(zhe)疊裂紋走向與表麵近乎平行，漏磁場微弱。
2）發紋：材料表麵或近表麵毛發狀的細小裂紋，由鋼錠(ding)皮(pi)下氣泡或夾(jia)雜引起。外觀細小，一般長1～3mm，目檢時不易發現。
3）鍛造裂紋：包括(kuo)鍛造折(zhe)疊裂紋（切料不齊、毛刺、飛(fei)邊以及操作不當等原因造成）、過燒（鍛件溫度過高或保溫時間過長造成）、濕裂（停鍛溫度較高，冷(ling)卻(que)時局(ju)部或全(quan)部碰(peng)到冷(ling)卻(que)水而急(ji)冷(ling)）、內裂（鍛造時加熱速度過快，表麵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(cu)大，形狀不規則，存在鍛件表麵，磁化時漏磁場較弱，磁痕顯示不太清(qing)晰，剩磁法檢測容易產生漏檢。
4）淬火裂紋：因淬火時產生的熱應力及組織應力引起，外貌極不規則，多在外徑上，嚴重時延伸(shen)到端麵，一般較深。
5）磨削裂紋：磨削時冷(ling)卻(que)不良，瞬時高溫引起表麵應力集中，即會(hui)產生磨削裂紋，主要分布在端麵、擋邊、滾道、內徑及打字處，外徑表麵較少(shao)出現，呈現短、淺、細的特點，與磨削方向垂直或成一定角度。
2. 軸承套圈裂紋漏磁檢測係統的特點
軸承套圈裂紋漏磁檢測係統的優(you)勢在於：可實現上下料、檢測、分選、退磁一體化自動化，極大地提高了檢測效率，降(jiang)低了工人的勞動強(qiang)度。
然而，在具體的工程實施(shi)中，存在以下要點及難點：
1）軸承套圈尺寸形狀規格繁多，如何實現通用化檢測或者(zhe)實現一定範(fan)圍內的通用化檢測存在工程實施(shi)難度。
2）隨著軸承套圈加工工藝(yi)的提升，軸承套圈表麵加工質量越(yue)來越(yue)高，生產過程中產生的裂紋多呈現出開口窄、深度淺的特點，屬於典型的微小尺寸裂紋檢測問題，提高磁化能力、提高傳感器檢測靈敏度及空間分辨(bian)力、提高信號處理能力以在較強(qiang)背景噪聲中提取有效信號是關鍵(jian)。
3）軸承套圈尤其是軸承內圈的結構較為複(fu)雜，需從結構及布置方式著手，減小提離值並最大限度地覆蓋待檢測部位。
4）自動化生產線多為流水式，效率高、速度快，因此高速檢測工藝(yi)應簡潔高效，且(qie)可以順(shun)暢地與生產線相融(rong)合。
3. 軸承套圈漏磁檢測的勵(li)磁方法與裝置
軸承套圈的磁化方式直接和漏磁場信號強(qiang)弱相關，其選擇及設計非常重要。常見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(lan)法，其優(you)缺(que)點見表7-5。
對比之後不難看(kan)出，上述(shu)方法均(jun)不適(shi)用於自動化漏磁檢測，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(chan)繞線圈製成，可更換的磁極可以滿足不同規格軸承套圈的磁化需求。通過ANSYS仿(fang)真可以看(kan)出，此種磁化方式在遠離磁極的位置可以獲得(de)比較均(jun)勻的周向磁場，且(qie)該磁化器結構可以方便(bian)地與流水生產線相結合，便(bian)於實現自動化。
選用16種軸承套圈中橫(heng)截麵積最大的27315EK 02軸承內圈，為保證仿(fang)真順(shun)利進行，此處對仿(fang)真裂紋進行了一定的簡化，裂紋尺寸為0.5mm（寬）x0．mm（深）x3.0mm（長），x0.2mm上、下端麵各1條裂紋，沿軸向內表麵等間距均(jun)勻分布3條裂紋，外表麵1條裂紋。周向磁化器仿(fang)真模型如圖7-64所示。
仿(fang)真結果如圖7-65所示，通過對比可知：
1）上端麵和內表麵裂紋漏磁場B，分量圖像基本吻合，表明在該磁化方式及磁化強(qiang)度下，上端麵與內表麵具有較為一致(zhi)的磁化效果。
2）沿軸向等間距分布的內表麵裂紋1、2、3漏磁場分量圖像基本吻合，表明在該磁化強(qiang)度下，內表麵磁化一致(zhi)性較好(hao)，與裂紋離磁極的距離無關。
3）下端麵裂紋漏磁場B分量圖像與外表麵裂紋漏磁場B,分量圖像基本吻合，但是相比於上端麵、內表麵強(qiang)度更小。這是由於下端麵壁厚較大，而外表麵由於位於套圈外圍，距離磁化場較遠，且(qie)磁場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(zhi)，需要進一步加強(qiang)磁化強(qiang)度，使得(de)軸承套圈達(da)到過飽(bao)和磁化狀態。然而在實際(ji)檢測過程中，使得(de)軸承套圈各個部分均(jun)達(da)到飽(bao)和磁化狀態需要極多的線圈匝數或極大的磁化電流，對於非定量軸承套圈檢測而言，磁化的意義在於使得(de)最苛刻指(zhi)標的缺(que)陷仍(reng)可得(de)到較理想(xiang)的信噪比即可，磁化效果不一致(zhi)引起的漏磁場信號不一致(zhi)可在軟件中予(yu)以修正(zheng)。
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(jiang)工件磁化至(zhi)飽(bao)和或近飽(bao)和狀態時，有利於裂紋漏磁場的形成與擴散，取近飽(bao)和區的H＝14800A／m點，此時對應的磁感應強(qiang)度B≈1.125125T。以16種軸承套圈中橫(heng)截麵積最大(533.5n5m㎡)的27315EK 02軸承內圈為例，大約為4075安匝。由於本計算模型沒有考慮(lv)泄漏到空氣中的磁通、磁滯損耗、渦流損耗，因此將(jiang)計算出的結果乘以安全(quan)係數1.1，磁化器εm=NI=4482安匝。線圈匝數為600，選用φ1.7mm銅線繞製而成，通入7.5A的電流即可滿足磁化要求。
根據上述(shu)計算結果，設計得(de)到如圖7-67所示的周向勵(li)磁裝置，磁極部分可更換以適(shi)應不同規格的軸承套圈，磁化器封罩用於保護內部漆包線，封罩上開百葉窗輔助散熱，加裝軸流式風扇散熱以保證磁化器可長期工作。
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，隔片用於調節磁極間距。檢測時，“N極→軸承套圈→S極→橋接銜鐵”形成磁回路，如遇裂紋，漏磁場將(jiang)被磁頭捕捉。永磁鐵尺寸為4mm×10mm×10mm正(zheng)對軸承套圈，為磁極麵。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，大端麵刻蝕有寬0.1mm、深0.1mm、長10.0mm的人工刻槽。軸承套圈表麵光滑，無鏽蝕。
不同磁極間距檢測結果對比如圖7-70所示。磁極間距15mm時，可檢出信號，但信噪比不高，這是由於磁極離磁心過近使之飽(bao)和的緣(yuan)故；磁極間距17mm時，可檢出信號，且(qie)信噪比最佳；磁極間距19mm時，不能檢出信號。永磁體尺寸換為6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正(zheng)對軸承套圈，為磁極麵時，不能檢出信號，同理這也是磁心飽(bao)和的緣(yuan)故。
通過上述(shu)分析不難發現，含磁心線圈用於檢測時，需特別(bie)注意磁心飽(bao)和的問題，局(ju)部磁化在一定程度上降(jiang)低了磁化成本和磁化難度，但是由於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；提離損耗與提離值相關，在實際(ji)工程中體現在探頭耐(nai)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，即與裂紋尺寸及磁化狀況相關；氣隙寬度損耗與氣隙寬度g、裂紋漏磁信號空間分布相關；方位角損耗可歸(gui)為提離損耗；磁滯損耗可忽略(lue)；渦流損耗可以從磁心材料、探頭工藝(yi)等方麵著手降(jiang)低。
因此，從探頭設計的角度出發，主要關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(de)到不同的氣隙寬度g，氣隙深度h。取決於機加工主瓣、旁瓣尺寸。
如圖7-72所示，為驗證磁心前端氣隙深度h。對信號的影響，製作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁頭式傳感器，線圈匝數為400。人工傷的尺寸為（寬）×0.5mm(深）×10.0mm（長）。試驗過程中使用的信號放大板(ban)為10×100倍，軟件放大倍數為500倍。
所得(de)原始(shi)信號經5階 Butterworth 濾(lv)波器濾(lv)波後，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(yue)小，越(yue)有利於檢測，然而氣隙深度越(yue)小，探頭越(yue)不耐(nai)磨，因此實際(ji)的探頭製作中，需要在兩者(zhe)之間做平衡取舍。
如圖7-74所示，為驗證磁心前端氣隙寬度g對信號的影響，製作了氣隙深度ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種磁頭式傳感器，線圈匝數為400。人工傷的尺寸為0.1mm（寬）)x0.5mm深）x10.0mm（長）。試驗過程中使用的信號放大板(ban)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，信號峰-峰值Vpp最大；在氣隙寬度m時出現了“檢測勢井”，當氣隙寬度m時，信號峰-峰值V在一定範(fan)圍內呈現出增長趨勢。這是由於在該試驗條件下，m時氣隙寬度損耗最大，因此無法有效檢出信號。該結果表明，應用磁頭式傳感器進行檢測時，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(fang)止它與裂紋漏磁場空間分布出現耦合，形成“檢測勢井”。
如圖7-76所示，縱向傷陣(zhen)列傳感器主要由線圈、疊層磁心、隔離片、屏蔽罩組成，探頭單(dan)元(yuan)排成兩列並沿排布方向兩兩錯開一段距離，以消(xiao)除單(dan)列探頭之間的探測盲區。
三、檢測裝備
整套裝備主要分為檢測裝置、信號采集和處理係統、PLC控製係統、外圍供(gong)電供(gong)氣係統、物(wu)料傳送以及上下料裝置五部分。本節的重點在於檢測裝置、信號采集和處理係統以及高速檢測工藝(yi)。
1. 總體方案
按照(zhao)功能劃(hua)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、退磁四個主要工位。預置工位為冗餘過渡工位，當前可作為軸承套圈檢測流程的過渡工位，將(jiang)來可為周向傷檢測裝置提供(gong)安裝平台。裝備主體-縱向檢測主機主要包括(kuo)五個部分：軸承套圈驅動裝置、磁化裝置、陣(zhen)列探頭組件、信號調理采集處理係統以及自動化控製係統。
軸承套圈驅動裝置設計要點：以圓錐滾子軸承套圈為研究對象，其形狀規整，為圓環形零(ling)件，適(shi)合旋轉檢測；表麵光潔，不需事先清(qing)潔處理；為便(bian)於實現工業自動化，不同尺寸規格軸承套圈的檢測工位及上下料工位最好(hao)一致(zhi)。綜(zong)合上述(shu)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，擬訂軸承套圈高速自動化漏磁檢測工藝(yi)流程，如圖7-77所示。
軸承套圈裂紋漏磁檢測裝備總體方案如圖7-78所示。
2. 檢測係統
檢測係統主要包括(kuo)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(hua)分為工件驅動、規格調整、磁化、壓緊、檢測和剔除六大主體裝置。工件驅動模塊的主要部件為驅動電動機、驅動輪L、驅動輪R、萬向滾珠(zhu)托架等。驅動電動機與齒輪直連，經由齒輪組變速、變轉矩(ju)之後傳遞給兩個驅動輪，在壓緊模塊的配合下，摩(mo)擦帶(dai)動軸承套圈原地旋轉。
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，由於上下料機械手與檢測裝置之間的距離相對固(gu)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，需要調整設備狀態。減速機起變速、變向的作用，30°梯形絲杠螺母機構既可傳動，也可自鎖，壓緊軸承安裝座上開腰形通孔，可以調整壓緊軸承與上下料工位之間的距離，適(shi)應軸承套圈規格的變化。
磁化裝置主要由磁化線圈、磁極、磁化器固(gu)定架和工業風扇等組成。磁極可更換規格，以配合軸承套圈規格的變化。工業現場常常要求設備具有連續工作能力，因此磁化線圈的散熱問題需要重視，此處采用軸流式工業風扇散熱。
如圖7-81所示，壓緊裝置主要由壓緊氣缸、壓緊軸承安裝座、萬向滾珠(zhu)托架和可擺動式壓緊總成構成。壓緊氣缸在檢測過程中提供(gong)持續的壓緊力，萬向滾珠(zhu)托舉(ju)軸承套圈，減小其在原地旋轉過程中的摩(mo)擦力，雙驅動輪加雙壓緊輪的設計雖(sui)然更加可靠，但是存在過定位的問題，因此壓緊模塊設計為可擺動式。下端麵探頭陣(zhen)列置於壓緊輪之間，規格調整時跟隨軸承一起移動，可覆蓋所有係列軸承套圈下端麵。
如圖7-82所示，檢測裝置主要由外表麵陣(zhen)列探頭、內表麵陣(zhen)列探頭、上端麵陣(zhen)列探頭、下端麵陣(zhen)列探頭及其動作機構組成。其中，外表麵陣(zhen)列探頭由氣缸帶(dai)動，實現貼合及分離工件，連接陣(zhen)列探頭與氣缸的零(ling)件可拆(chai)卸(xie)，方便(bian)工件規格變化時更換相應的外表麵陣(zhen)列探頭；內表麵陣(zhen)列探頭鉸接於擺臂一端，擺臂由迷你氣缸帶(dai)動，實現貼合及分離動作；上端麵陣(zhen)列探頭鉸接於浮(fu)動導杆一端，浮(fu)動導杆內置彈簧，可以適(shi)應不同軸承套圈高度的變化並提供(gong)持續的壓緊力；內表麵陣(zhen)列探頭與上端麵陣(zhen)列探頭固(gu)定在軸承套圈上方的鋁型材上，並且(qie)可沿鋁型材調整位置；鋁型材由氣動滑台帶(dai)動，可上下移動。檢測前，固(gu)定於鋁型材上的內表麵及上端麵陣(zhen)列探頭處於高位，軸承套圈上料到位後，氣動滑台動作，內表麵及上端麵陣(zhen)列探頭處於低位，其中上端麵陣(zhen)列探頭貼緊上端麵。隨後，迷你氣缸動作，經由擺臂帶(dai)動內表麵陣(zhen)列探頭貼緊內表麵。下端麵陣(zhen)列探頭固(gu)定於兩壓緊軸承之間，可隨壓緊軸承安裝座一起調整，長度方向足以覆蓋該係列所有軸承套圈下端麵，陣(zhen)列探頭內置彈簧，可實現浮(fu)動壓緊，內置緊定螺釘，用於調節彈簧壓緊力。
如圖7-83所示，剔除裝置主要由剔除氣缸、氣缸導杆、分料板(ban)和廢品收集槽組成。縱向缺(que)陷檢測裝置檢測完畢後，向PLC控製係統反饋相應信息(xi)。若軸承套圈檢測為合格，則剔除氣缸不動作，機械手抓取工件在分料板(ban)上方停留一段時間之後運往下一工位（退磁工位）；若軸承套圈檢測為不合格，則剔除氣缸動作，帶(dai)動分料板(ban)上升，機械手抓取工件將(jiang)其丟人到廢品收集槽中。
3. 高速自動化檢測工藝(yi)
如圖7-84所示，係統采用流水線式工藝(yi)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，機械手組件將(jiang)四個工位有機聯係起來。
四、現場應用
上述(shu)檢測係統在現場應用如圖7-85所示。
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(hao)的檢測靈敏度與可靠性，檢測效率高。
