2014年汽車(chē)工业经济运行情况数据显示，2014年我國(guó)累计生产汽車(chē)2372.29万辆，同比增長(cháng)7.3％，销售汽車(chē)2349.19万辆，同比增長(cháng)6.9％。汽車(chē)轮毂轴承是汽車(chē)生产的必备零部件，按照平均1辆汽車(chē)使用(yòng)4个轮毂轴承来估算，2014年全國(guó)消费的汽車(chē)轮毂轴承将近1亿个。由此可(kě)见，汽車(chē)轮毂轴承的市场十分(fēn)庞大，这也為(wèi)轮毂轴承相关配套产业带来了很(hěn)大商(shāng)机。
轮毂轴承单元汽車(chē)结构中，除了要具备轴承应有(yǒu)的支承旋转轴的作用(yòng)外，还肩负着保证底盘的结构强度及刚度等任務(wù)。当轮毂轴承发生早期失效时，轮毂轴承的振动和噪声将明显增强，结果就是汽車(chē)行驶过程中会有(yǒu)强烈的震颤感，并且有(yǒu)较大的噪声产生。而在目前广泛使用(yòng)的第三代汽車(chē)轮毂轴承中，存在失效风险的重要部位之一是轮毂轴承的旋压面。由于旋压成形面的作用(yòng)是保证轴承内外圈的紧密连接，因此一旦旋压面出现断裂事故，将导致轴承的内外圈分(fēn)离，进而导致車(chē)轮与車(chē)體(tǐ)的分(fēn)离，这将导致十分(fēn)严重的事故。因此，及时准确地发现轮毂轴承旋压面上的裂纹对于車(chē)辆行驶安全性具有(yǒu)十分(fēn)重要的意义。一方面，汽車(chē)轮毂轴承的旋压面对轴承的结构强度十分(fēn)重要；另一方面，从公开的资料看，國(guó)内目前尚无适用(yòng)于轮毂轴承旋压面无损检测的专业设备。為(wèi)此，介绍一套专用(yòng)于汽車(chē)轮毂轴承旋压面无损检测的设备。
一、磁化装置
磁化在漏磁检测中是实现检测的第一步，这一步骤决定着被检测对象能(néng)否产生出可(kě)被检测和可(kě)被分(fēn)辨的磁场信号，同时也左右了检测信号的性能(néng)特性和检测装置的结构特性。
磁化装置在漏磁检测系统中的主要作用(yòng)是对工件施加适当磁场，与缺陷相互作用(yòng)后产生漏磁场。这个施加的磁场应当满足以下条件：磁场需要足够均匀，从而使得测量信号与缺陷特性之间具有(yǒu)良好的線(xiàn)性关系；磁场必须足够强，从而可(kě)以在缺陷处产生一个可(kě)被测量的漏磁场；检测范围的磁场幅度必须相同，以保证检测范围内的相同尺寸缺陷产生的信号幅值相同。其中，设计磁化器时，首先要保证能(néng)够产生足够强度的漏磁场，其次应当考虑减小(xiǎo)磁化器的尺寸和质量，以节约成本并简化设备的结构。
1. 磁化方式
工件的磁化方式按照励磁源来划分(fēn)主要有(yǒu)三种。直流磁化较為(wèi)均匀，且能(néng)够通过调节励磁電(diàn)流的大小(xiǎo)方便地调整励磁强度，能(néng)够把工件有(yǒu)效饱和磁化。交流磁化具有(yǒu)趋肤效应，它的检测深度与磁化電(diàn)流的频率密切相关，无法激发工件内部或内壁缺陷的漏磁场，不过它对工件表面的缺陷具有(yǒu)很(hěn)好的灵敏度。永磁磁化法作為(wèi)励磁磁源时，它的效果相当于固定電(diàn)流值的直流磁化。
磁化方法按照磁化的形态来分(fēn)又(yòu)可(kě)以分(fēn)為(wèi)穿过式磁化与磁轭磁化。穿过式磁化主要是指将工件置于一个或者多(duō)个磁化線(xiàn)圈的轴線(xiàn)上，使磁力線(xiàn)经过工件内部及外部空气后形成一个完整的磁化回路，其优点是结构十分(fēn)简洁，且磁化器与被磁化工件不需要直接接触。磁轭磁化主要是指利用(yòng)铁磁性的磁轭结合工件的形状搭建一个理(lǐ)想的磁化回路完成磁化任務(wù)，其优点是能(néng)够适应多(duō)变的工件形状，缺点是磁化的均匀性不如遠(yuǎn)场磁化。基于轮毂轴承旋压面空间狭小(xiǎo)且与其他(tā)部件相连的结构特点，磁轭磁化的方法显然更能(néng)适应其复杂的形状及检测位置。
2. 磁化装置
a. 磁轭
首先应该确定磁轭的基本形状。根据钢管轴向裂纹磁化的思路，对于旋压面的径向裂纹，初步设计了两种基本的磁轭方案，如图7-35所示。
两个方案理(lǐ)论上都可(kě)以在旋压面上施加绕周向的磁场，图7-35a所示為(wèi)非对称形式，图7-35b所示為(wèi)对称形式。在磁化線(xiàn)圈的安匝数相同的情况下，图7-35a所示方案会在图中所示的狭窄區(qū)形成一片磁场较强的區(qū)域，但另一侧的磁场相对来说会明显偏弱，而图7-35b所示方案虽然没有(yǒu)这种聚焦效应，但其优点是磁化场对称分(fēn)布，这对探头的布置来说很(hěn)重要。若采用(yòng)图7-35a所示的方案，则探头只能(néng)布置在图中磁场强的位置，如果两侧都布置探头，则会出现检测灵敏度差异。由于旋压面區(qū)域本就空间狭小(xiǎo)，為(wèi)了能(néng)够充分(fēn)利用(yòng)空间进行探头布置，故采用(yòng)图7-35b所示的磁轭方案。
b. 磁路
磁路分(fēn)析的目的是依据被磁化工件内部的理(lǐ)想磁化强度，推导出理(lǐ)想的直流磁化線(xiàn)圈的规格和通電(diàn)電(diàn)流的选择，两者综合起来就是線(xiàn)圈的安匝数。
图7-36a所示為(wèi)初步设计的径向裂纹磁化器模型。其中為(wèi)了简化计算，将轮毂轴承旋压面从轴承整體(tǐ)中分(fēn)离出来，轮毂轴承的其他(tā)部分(fēn)对磁化的影响将在基本计算结束后予以修正。图7-36b所示為(wèi)该磁化器模型所对应的等效磁路模型。
等效模型中，εm為(wèi)磁化線(xiàn)圈的磁动势（即安匝数），Riron為(wèi)左半边磁轭的磁阻，R'iro為(wèi)iron右半边磁轭的磁阻，Rair為(wèi)图7-36a中空气隙的磁阻，Rhub為(wèi)轮毂轴承旋压面的磁阻，Φ為(wèi)m干路磁通，Φair為(wèi)通过空气隙的磁通，Φhub為(wèi)通过轴承旋压面的磁通。图7-37所示為(wèi)标准轴承钢GCr15的磁化特性曲線(xiàn)。
取饱和區(qū)的磁场强度H=12000A/m作為(wèi)工件内部目标磁场强度，从图7-37中的B-H曲線(xiàn)可(kě)以得到此时工件内的磁感应强度μ-H曲線(xiàn)可(kě)以得到此时材料的相对磁导率
磁路中各构件的已知基本参数见表7-3。
轮毂轴承旋压面的横截面积，由此可(kě)以算得，基于这一结果，根据磁阻计算公式推导得到表7-4中的参数。
最后算得（安匝）。这是初步计算得到的结果，上述计算是基于旋压面从轮毂轴承整體(tǐ)中分(fēn)离出来后的简化模型，而实际上旋压面是轮毂轴承内圈的一部分(fēn)，且旋压面与轴承外圈也有(yǒu)直接接触，因而实际上有(yǒu)相当部分(fēn)的磁通是从其他(tā)部位流过的。根据经验，将计算结果得到的安匝数乘以2之后可(kě)以完全保证达到预计的磁化强度，最终确定的安匝数為(wèi)Einal=28m≈700安匝。
c. 磁化器
先是确定線(xiàn)圈的匝数。在上文(wén)的磁路计算中得到的参数依据是安匝数，但并没有(yǒu)确定具體(tǐ)的線(xiàn)圈匝数。在安匝数一定的条件下，線(xiàn)圈的匝数和励磁電(diàn)流成反比关系。励磁電(diàn)流偏大时，線(xiàn)圈的发热功率会增大，根据焦耳定律，電(diàn)流的小(xiǎo)幅度增大都会导致发热功率的明显增加，因而在确定励磁線(xiàn)圈的匝数时，应当遵循的原则是：在磁化器體(tǐ)积允许的情况下，尽力增加匝数，从而减小(xiǎo)励磁所需的電(diàn)流，以控制励磁線(xiàn)圈的发热量在安全合理(lǐ)的范围内。这里确定的磁化線(xiàn)圈匝数是400匝，励磁電(diàn)流小(xiǎo)于2A，采用(yòng)φ1.7mm線(xiàn)径的铜線(xiàn)进行绕制。
其次是線(xiàn)圈的散热问题。缓解線(xiàn)圈的发热问题一般有(yǒu)两大类措施：一类是用(yòng)热的良导體(tǐ)（一般是金属）将線(xiàn)圈发出的热量分(fēn)散开来，增加整體(tǐ)的散热面积；另一类是流體(tǐ)冷却法，采用(yòng)风冷或水冷的方式加速热量的扩散，電(diàn)气设备中一般用(yòng)风冷的方法。实际应用(yòng)中往往两种方法一起使用(yòng)，采用(yòng)不锈钢外壳来分(fēn)散磁化線(xiàn)圈的热量，用(yòng)风扇来实现风冷。
按照上述原则制作的磁化器实物(wù)如图7-38所示。
二、检测探头
1. 轮毂轴承旋压面检测分(fēn)析
a. 轮毂轴承旋压面检测特点
轮毂轴承旋压面的检测与普通的轴承套圈检测存在着显著的不同。
首先，轮毂轴承旋压面的回转母線(xiàn)為(wèi)曲線(xiàn)，而普通的轴承套圈端面的回转母線(xiàn)為(wèi)直線(xiàn)，因而相对来说，实现对轮毂轴承旋压面的全覆盖检测具有(yǒu)较高的难度，轴承旋压面的探靴形状需要契合其回转面的特殊形状，如图7-39所示。
其次，轮毂轴承旋压面各个部位曲率有(yǒu)很(hěn)大差别，為(wèi)了确保每个传感器能(néng)够准确有(yǒu)效地贴合旋压面，需要设计带有(yǒu)独立浮动功能(néng)的传感器阵列，以保证检测的准确性。
b. 旋压面缺陷位置
由于旋压面本身形状较复杂，将其划分(fēn)為(wèi)3个差异比较大的部位，并进行命名，如图7-40所示。其中，内圆角面是指旋压面内侧半径為(wèi)R5mm的圆角部位，这一部位曲率较大；中间平面是指旋压面最上端的平台位置，这一部位近似為(wèi)平面；外侧坡面為(wèi)旋压面最外侧部位，这一部位有(yǒu)一定的弧度，但曲率较小(xiǎo)。
c. 旋压面缺陷类型
旋压面的基本缺陷类型主要包括裂纹以及旋压面受到磕碰后留下的麻点凹坑类缺陷，其中又(yòu)以裂纹為(wèi)最主要缺陷，两种缺陷的示意图如图7-41所示。由于缺陷尺寸较小(xiǎo)，因此图中对缺陷的轮廓进行了勾勒，以便清楚地显示缺陷。
裂纹的潜在危害在于，径向裂纹一旦扩展到一定程度，旋压面的整體(tǐ)形状将发生显著改变，使得轮毂轴承内外圈与滚珠之间无法实现无缝隙的贴合，从而造成轮毂轴承内外圈的晃动，产生噪声并影响汽車(chē)行驶的稳定性。
凹坑的潜在危害在于，凹坑如果扩展到一定程度，旋压面有(yǒu)可(kě)能(néng)部分(fēn)脱落，使得轴承内外圈之间的压紧力显著下降，在一定的载荷下可(kě)能(néng)造成轴承内外圈分(fēn)离，也就是说会造成汽車(chē)的車(chē)轮与車(chē)轴分(fēn)离，后果十分(fēn)严重。
2. 探头
在漏磁检测中，探头主要肩负着以下功能(néng)要求：
a. 保证传感器与被检测对象的良好接触。这一功能(néng)主要靠探靴的浮动跟踪能(néng)力来实现，不同的传感器以及不同的检测对象对探靴浮动的要求不同，基本的原则是：既要保证传感器保持最佳检测姿态，又(yòu)要尽量减少运动自由度。
b. 保证一定的提离值。设定提离值的目的是在探头磨损较為(wèi)剧烈的场合，避免传感器与被检测工件直接摩擦而损坏，而提离值一般由探靴的浮动功能(néng)及传感器在探靴内的等距离封装来保证。
c. 保证传感器对工件的覆盖率，实际检测中往往通过布置合适的传感器阵列形成線(xiàn)状检测探头，配合合适的扫查运动，实现对被检测工件的全覆盖检测。
①. 传感器阵列设计 在轮毂轴承旋压面的漏磁检测中，首先要选择合适的传感器阵列以保证传感器对旋压面的全覆盖。基本思路是覆盖旋压面的一条回转母線(xiàn)，如图7-42所示，配合回转扫查运动，即可(kě)实现对整个旋压面的全覆盖检测。
设L為(wèi)旋压面回转母線(xiàn)的長(cháng)度，l．為(wèi)单个磁头传感器的覆盖宽度，所需传感器个数為(wèi)N，若要求传感器覆盖范围之间有(yǒu)20％的重叠率，则应满足下式要求：Nlg≥120%LL。旋压面回转母線(xiàn)的長(cháng)度L≈12mm，单个磁头传感器的覆盖宽度，则所需的最少传感器个数。由于旋压面的空间非常狭小(xiǎo)，传感器密集排列会给探靴制作工艺带来较大难度。為(wèi)了避免这一问题，采用(yòng)4个传感器分(fēn)散布置到旋压面两端的方法，充分(fēn)利用(yòng)狭小(xiǎo)的空间。
②. 传感器浮动跟踪 除了实现全覆盖检测，试验结果显示，磁头传感器随着提离值的增大，其检测信号输出会迅速减小(xiǎo)，因此探头还需要设置浮动功能(néng)，以保证每个传感器在检测过程中始终紧贴旋压面，实现最优的检测效果。
要保证每个传感器对旋压面的良好接触，无法采用(yòng)常见的整體(tǐ)式探靴浮动方案，因為(wèi)分(fēn)散式传感器阵列中的每个传感器所覆盖的旋压面部位的曲率不同，因而各个传感器与旋压面的接触状态有(yǒu)很(hěn)大的差异。要保证每个传感器的有(yǒu)效浮动，只能(néng)采用(yòng)分(fēn)散式的浮动方案，即為(wèi)每个传感器配备独立的浮动结构。
為(wèi)了实现每个传感器的独立浮动，采用(yòng)如图7-43所示的探头芯體(tǐ)。芯體(tǐ)一侧设计了容纳传感器的开槽，槽底部放置了微型弹簧，能(néng)够实现每个传感器的独立浮动，浮动行程达到2mm，由于旋压面的形状精确且表面洁净，这一浮动行程完全能(néng)够满足传感器紧贴旋压面的需求。
探头芯體(tǐ)装入探靴壳體(tǐ)，采用(yòng)胶封工艺后即可(kě)获得完整的探头，如图7-44所示。
经过测试，探头与旋压面的贴合状态良好，传感器的浮动结构能(néng)够顺畅工作，能(néng)够保证平稳的检测。探头贴合状态示意图如图7-45所示。
③. 探头与磁化器一體(tǐ)化 由于旋压面區(qū)域空间十分(fēn)狭小(xiǎo)，探头与磁化器在空间上难以分(fēn)开布置，因此需要进行探头与磁化器的一體(tǐ)化设计。通过协调探靴外壳的厚度与磁化器两极靴间的距离，将探头整體(tǐ)布置在磁化器两极靴之间的位置上，加装固定装置后，成功地实现探头与磁化器的一體(tǐ)化，装置结构如图7-46所示。
三、检测平台
1. 总體(tǐ)方案
轮毂轴承旋压面漏磁检测装置由磁化装置、探头装置、传送装置、采集電(diàn)路、计算机及采集软件、分(fēn)选装置和退磁装置组成，总體(tǐ)框架如图7-47所示。
2. 检测平台
按照上述框架，旋压轮毂轴承漏磁检测平台的总體(tǐ)效果图如图7-48所示。
a. 吸紧模块
旋压轮毂轴承在检测过程中需要被准确放置在若干个位置，分(fēn)别完成扫查、分(fēn)选和退磁等工序，因而有(yǒu)必要布置一个抓紧模块对旋压轴承进行抓取。利用(yòng)磁轭式磁化器能(néng)够与被磁化工件之间产生很(hěn)大吸力的特点，直接用(yòng)磁化器完成抓紧功能(néng)。采用(yòng)这一方法可(kě)以使检测平台更加紧凑简洁。一般情况下，磁化器只需要通以1A的電(diàn)流就可(kě)以产生足以克服轴承重力的吸紧力，而在实际的漏磁检测过程中，用(yòng)来对工件进行磁化的電(diàn)流一般设定為(wèi)2～3A，因而这一方案完全可(kě)以满足吸紧力要求。在测试过程中发现，在吸紧时若轴承旋压面与磁化器极靴直接接触，则由于两者吸力过大而造成接触面摩擦力过大，轴承与磁化器之间无法相对转动，这不符合后续扫查动作的要求，并且在磁化器断電(diàn)之后，由于磁化器极靴在一段时间内剩磁较大，造成轴承无法被立即释放，给检测工序的衔接带来不利影响。為(wèi)了消除这一不良影响，设计了图7-49所示的铝合金材质的定位块，其作用(yòng)是在磁化器与轴承吸紧时将两者隔开一定距离，避免产生过大摩擦力，同时消除磁化器断電(diàn)后极靴剩磁对轴承的影响。经测试，加装定位块后，轴承与磁化器可(kě)以实现相对转动，且磁化器断電(diàn)后轴承被立即释放，满足了检测流程的需要。
b. 扫查与分(fēn)选模块
在探头设计过程中已经用(yòng)传感器阵列实现了对旋压面回转母線(xiàn)的覆盖，因此扫查机构只需要為(wèi)轴承提供一个旋转运动即可(kě)实现对旋压面的全覆盖扫查。如图7-50所示，本装置利用(yòng)轮毂轴承内圈法兰上自带的螺钉，用(yòng)電(diàn)动机（安装在底板下方）驱动一个旋转拨杆来為(wèi)轴承提供旋转运动。
在对轮毂轴承旋压面进行检测后，若发现有(yǒu)缺陷工件，需要将其及时分(fēn)选出来，因而紧接着扫查模块布置了分(fēn)选模块。分(fēn)选装置如图7-51所示，采用(yòng)拨杆式分(fēn)选，由安装在底板下方的气缸驱动，分(fēn)选动作可(kě)以将疑似带缺陷轴承推入与检测流水線(xiàn)相垂直的缺陷品通道。
c. 传送模块
传送模块包含水平传送与升降传送。水平传送用(yòng)于完成轴承在各个工位之间的转换，升降传送用(yòng)于满足具體(tǐ)工位对轴承高度的需要，扫查工位要求轴承处于悬空状态以保证顺畅旋转，分(fēn)选工位和退磁工位则要求轴承放置在底板上。
在整个检测过程中，轴承需要经过上料工位、扫查工位、分(fēn)选工位和下料工位共4个工位，即水平方向上轴承要准确地在4个不同位置停留。实现这一功能(néng)有(yǒu)两种方案：①. 采用(yòng)丝杠螺母机构提供水平运动，使用(yòng)光電(diàn)感应开关进行位置控制；②. 采用(yòng)水平布置的串联气缸提供动力，靠各个气缸行程的组合来实现位置控制。
对比两种方案，方案①. 采用(yòng)電(diàn)子方式实现位置控制，方案②. 采用(yòng)机械式位置控制。相对来说，方案②成本更低，可(kě)靠性更高，且装置體(tǐ)积可(kě)以做得比较小(xiǎo)，因此采用(yòng)后一种方案。
传送装置采用(yòng)一对行程為(wèi)200mm的气缸进行串联安装，吸紧装置和退磁器布置在如图7-52所示的位置。為(wèi)了方便描述，為(wèi)每个气缸进行了编号，水平气缸為(wèi)P1和P2，竖直气缸為(wèi)S1和S2。气缸P1和P2同时伸展时，吸紧装置夹持轴承為(wèi)位置A（上料工位）；气缸P1伸展P2收缩时，轴承被移动至位置B（扫查工位）；气缸P1和P2同时收缩时，轴承被移动至位置C（分(fēn)选工位）。一个周期结束后，轴承未被直接送入位置D（下料工位），等待下一周期气缸P1收缩时由安装在退磁器上的拨杆将轴承从位置C推入位置D。气缸S1和S2用(yòng)于实现吸紧装置和退磁装置的升降，满足各工位中对轴承高度的要求。
3. 检测流程
每个检测周期开始时，气缸P1和P2处于伸展状态，气缸S1和S2处于收缩状态，检测平台的上料工位放置着刚刚被填充进来的待检测轴承K1，分(fēn)选工位上放置着上一周期已经完成检测的轴承K2，这里假设轴承K1带有(yǒu)可(kě)被检测到的缺陷，轴承K2没有(yǒu)缺陷，因而K2在上一检测周期结束后没有(yǒu)被分(fēn)选装置推入回收箱。检测周期初始状态如图7-53所示。
a. 检测步骤1（图7-54）检测开始，气缸S1伸展，磁化器下降，励磁電(diàn)流接通，轴承K1被吸紧。
b. 检测步骤2（图7-55）气缸S1收缩，轴承K1被抬起。气缸P2收缩，轴承K1被传送至扫查工位。扫查電(diàn)动机通電(diàn)开始扫查，漏磁检测软件启动，采集数据并做出有(yǒu)无缺陷的判断（这里假设K1有(yǒu)缺陷，因此系统将其判定為(wèi)次品）。气缸S2伸展，退磁器下降与上一周期检测完成的轴承K2接触，退磁器通電(diàn)，对K2执行退磁工序。
c. 检测步骤3（图7-56）气缸P1收缩，轴承K1被吸紧装置传送至分(fēn)选工位，轴承K2被退磁器上的拨杆推至下料工位，气缸S1伸展，磁化器和退磁器断電(diàn)，轴承K1被吸紧装置释放。
d. 检测步骤4（图7-57）气缸S1和S2收缩，由于系统将轴承K1判定為(wèi)次品，分(fēn)选装置接收命令将轴承K1推入到次品回收通道。
e. 检测步骤5（图7-58）气缸P1和P2伸展，磁化器和退磁器回归到原始位置，下一个被检测的轴承K3被装填到上料工位，等待下一个检测周期。
四、现场应用(yòng)
本检测设备的验收标准為(wèi)实现对0.20mm宽、0.03mm深裂纹的检测，為(wèi)此，制作了刻有(yǒu)0.20mm宽、0.03mm深贯穿式裂纹的测试样品进行试验，如图7-59所示。
完成对检测平台的组装后，在设备使用(yòng)现场进行了样品检测试验，检测设备与测试信号分(fēn)别如图7-60和图7-61所示。
从图7-61所示的检测信号可(kě)以看出，该检测设备在现场对测试样品的裂纹能(néng)够准确检出，信号清晰可(kě)辨，加入补偿比例后，一致性良好，满足轮毂轴承漏磁检测要求。
