轴承作為(wèi)重要的机械基础件，其质量直接决定着机械产品的性能(néng)以及可(kě)靠性。國(guó)家工信部规划司在机械领域“三基”（机械基础件、基础制造工艺和基础材料）产业“十二五”发展规划中明确，指出围绕重大装备和高端装备配套需求，重点发展高速、精密、重载轴承。
轴承作為(wèi)机械装置中最常用(yòng)也最重要的零部件之一，其失效将直接导致设备故障、生产受阻甚至是人员伤亡。据统计，在旋转机械的现场故障中，由于轴承套圈损伤而引起的故障大约占30％，其中大约90％的故障来自轴承套圈的裂纹。因此提高轴承套圈的裂纹检测能(néng)力尤為(wèi)重要。
目前，轴承套圈检测方法主要有(yǒu)磁粉检测法、超声检测法、涡流检测法、机器视觉法、巴克豪森法、声发射检测法等。其中，磁粉检测法、超声检测法、涡流检测法使用(yòng)较為(wèi)普遍。
磁粉检测法检验灵敏度高，缺陷显示直观，不受工件大小(xiǎo)和形状的限制，但是操作复杂，生产率低，且对环境有(yǒu)一定污染，磁痕观察需要人工参与，检测结果受检测人员主观意识和操作经验影响，难以践行统一的质量标准；超声检测法在國(guó)外使用(yòng)较為(wèi)广泛，欧洲已颁布相应检测标准《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超声检测法由于裂纹取向及声耦合对其影响大，难以适应轴承套圈形状，检测精度不高，需要检测者有(yǒu)丰富经验，所以影响了其在國(guó)内市场的推广；涡流检测法可(kě)实现非接触式检测，但是受工件形状影响大，且结果多(duō)以阻抗分(fēn)析图的形式展现，不直观，多(duō)用(yòng)于轴承圆柱滚子的检测。
為(wèi)解决轴承生产中出现的实际问题，下面介绍一种基于漏磁原理(lǐ)的轴承套圈裂纹检测方法与装置，可(kě)实现轴承套圈的自动化高效检测。
一、检测原理(lǐ)
轴承套圈作為(wèi)一种精密零部件，其表面质量较高，生产过程中产生的裂纹多(duō)呈现出开口窄、長(cháng)度短、深度浅的特点，属于典型的微小(xiǎo)尺寸裂纹检测问题。
1. 轴承套圈的材料、结构、待检测部位及缺陷形式
a. 轴承钢的主要种类
1）高碳铬轴承钢：年产量约占轴承钢总产量的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中GCr15 高碳铬轴承钢由德國(guó)于1905年研制成功，得到了广泛应用(yòng)。
2）渗碳轴承钢：经渗碳处理(lǐ)，兼具表面高硬高耐磨性及内部韧性。在美國(guó)的产量约占轴承钢总产量的30％，在中國(guó)仅占3％左右。
3）中碳轴承钢：工艺相对简单，且同样达到表面硬化效果，近年来发展较快。
4）不锈钢轴承钢：用(yòng)于制造在腐蚀环境下工作的轴承及某些部件。
不同材质或是相同材质、不同热处理(lǐ)工艺均会对轴承钢的磁化特性产生巨大影响，不同的磁化特性对应不同的磁化装置参数，本书使用(yòng)最為(wèi)广泛的GCr15轴承钢作為(wèi)研究对象。
b. 轴承套圈的结构及待检测部位 成品轴承一般由轴承外套圈、轴承内套圈、滚子保持架、滚子及附件组成，轴承套圈结构形式较為(wèi)多(duō)样，同一套装备难以同时满足所有(yǒu)类型轴承套圈的检测需求，研究其中使用(yòng)较為(wèi)广泛的圆锥滚子轴承套圈具有(yǒu)重要意义，相关研究方法可(kě)方便地变通之后推广到其他(tā)类型轴承套圈。
如图7-62所示，圆锥滚子轴承套圈為(wèi)旋转对称零件，外圈可(kě)看作由梯形绕中心轴旋转360°而成，上下端面為(wèi)圆环平面，外表面為(wèi)圆柱面，内表面為(wèi)圆锥面；内圈结构稍显复杂，上下端面為(wèi)圆环平面，外表面主體(tǐ)為(wèi)圆锥面，沿轴向两端含工艺槽及滚子定位台阶，内表面為(wèi)圆柱面。
轴承外圈待检测面包含内圆锥面1、外圆柱面2、下端面3和上端面4。轴承内圈待检测面包含外圆锥面1、内圆柱面2、下端面3、上端面4。
c. 轴承套圈的裂纹形式及产生原因
1）材料裂纹：材料裂纹产生的原因主要是内部气泡、严重的非金属夹杂等，沿轧制方向呈直線(xiàn)分(fēn)布，以表面裂纹或折叠的形式呈现，在内部走向多(duō)指向圆心，且折叠裂纹走向与表面近乎平行，漏磁场微弱。
2）发纹：材料表面或近表面毛发状的细小(xiǎo)裂纹，由钢锭皮下气泡或夹杂引起。外观细小(xiǎo)，一般長(cháng)1～3mm，目检时不易发现。
3）锻造裂纹：包括锻造折叠裂纹（切料不齐、毛刺、飞边以及操作不当等原因造成）、过烧（锻件温度过高或保温时间过長(cháng)造成）、湿裂（停锻温度较高，冷却时局部或全部碰到冷却水而急冷）、内裂（锻造时加热速度过快，表面升温高而内部升温慢引起，一般出现在壁厚较大处）。锻造裂纹较粗大，形状不规则，存在锻件表面，磁化时漏磁场较弱，磁痕显示不太清晰，剩磁法检测容易产生漏检。
4）淬火裂纹：因淬火时产生的热应力及组织应力引起，外貌极不规则，多(duō)在外径上，严重时延伸到端面，一般较深。
5）磨削裂纹：磨削时冷却不良，瞬时高温引起表面应力集中，即会产生磨削裂纹，主要分(fēn)布在端面、挡边、滚道、内径及打字处，外径表面较少出现，呈现短、浅、细的特点，与磨削方向垂直或成一定角度。
2. 轴承套圈裂纹漏磁检测系统的特点
轴承套圈裂纹漏磁检测系统的优势在于：可(kě)实现上下料、检测、分(fēn)选、退磁一體(tǐ)化自动化，极大地提高了检测效率，降低了工人的劳动强度。
然而，在具體(tǐ)的工程实施中，存在以下要点及难点：
1）轴承套圈尺寸形状规格繁多(duō)，如何实现通用(yòng)化检测或者实现一定范围内的通用(yòng)化检测存在工程实施难度。
2）随着轴承套圈加工工艺的提升，轴承套圈表面加工质量越来越高，生产过程中产生的裂纹多(duō)呈现出开口窄、深度浅的特点，属于典型的微小(xiǎo)尺寸裂纹检测问题，提高磁化能(néng)力、提高传感器检测灵敏度及空间分(fēn)辨力、提高信号处理(lǐ)能(néng)力以在较强背景噪声中提取有(yǒu)效信号是关键。
3）轴承套圈尤其是轴承内圈的结构较為(wèi)复杂，需从结构及布置方式着手，减小(xiǎo)提离值并最大限度地覆盖待检测部位。
4）自动化生产線(xiàn)多(duō)為(wèi)流水式，效率高、速度快，因此高速检测工艺应简洁高效，且可(kě)以顺畅地与生产線(xiàn)相融合。
3. 轴承套圈漏磁检测的励磁方法与装置
轴承套圈的磁化方式直接和漏磁场信号强弱相关，其选择及设计非常重要。常见的轴承套圈周向磁化方法有(yǒu)中心导體(tǐ)法、直接通電(diàn)法和绕電(diàn)缆法，其优缺点见表7-5。
对比之后不难看出，上述方法均不适用(yòng)于自动化漏磁检测，為(wèi)此，采用(yòng)如图7-63所示的轴承周向磁化方法，磁化器由U形铁心缠绕線(xiàn)圈制成，可(kě)更换的磁极可(kě)以满足不同规格轴承套圈的磁化需求。通过ANSYS仿真可(kě)以看出，此种磁化方式在遠(yuǎn)离磁极的位置可(kě)以获得比较均匀的周向磁场，且该磁化器结构可(kě)以方便地与流水生产線(xiàn)相结合，便于实现自动化。
选用(yòng)16种轴承套圈中横截面积最大的27315EK 02轴承内圈，為(wèi)保证仿真顺利进行，此处对仿真裂纹进行了一定的简化，裂纹尺寸為(wèi)0.5mm（宽）x0．mm（深）x3.0mm（長(cháng)），x0.2mm上、下端面各1条裂纹，沿轴向内表面等间距均匀分(fēn)布3条裂纹，外表面1条裂纹。周向磁化器仿真模型如图7-64所示。
仿真结果如图7-65所示，通过对比可(kě)知：
1）上端面和内表面裂纹漏磁场B，分(fēn)量图像基本吻合，表明在该磁化方式及磁化强度下，上端面与内表面具有(yǒu)较為(wèi)一致的磁化效果。
2）沿轴向等间距分(fēn)布的内表面裂纹1、2、3漏磁场分(fēn)量图像基本吻合，表明在该磁化强度下，内表面磁化一致性较好，与裂纹离磁极的距离无关。
3）下端面裂纹漏磁场B分(fēn)量图像与外表面裂纹漏磁场B,分(fēn)量图像基本吻合，但是相比于上端面、内表面强度更小(xiǎo)。这是由于下端面壁厚较大，而外表面由于位于套圈外围，距离磁化场较遠(yuǎn)，且磁场向空气中扩散更為(wèi)严重。
為(wèi)了补偿壁厚及套圈高度引起的磁化效果不一致，需要进一步加强磁化强度，使得轴承套圈达到过饱和磁化状态。然而在实际检测过程中，使得轴承套圈各个部分(fēn)均达到饱和磁化状态需要极多(duō)的線(xiàn)圈匝数或极大的磁化電(diàn)流，对于非定量轴承套圈检测而言，磁化的意义在于使得最苛刻指标的缺陷仍可(kě)得到较理(lǐ)想的信噪比即可(kě)，磁化效果不一致引起的漏磁场信号不一致可(kě)在软件中予以修正。
如图7-66所示，以GCr15（840℃油淬，190℃回火）為(wèi)例，根据電(diàn)磁检测原理(lǐ)，将工件磁化至饱和或近饱和状态时，有(yǒu)利于裂纹漏磁场的形成与扩散，取近饱和區(qū)的H＝14800A／m点，此时对应的磁感应强度B≈1.125125T。以16种轴承套圈中横截面积最大(533.5n5m㎡)的27315EK 02轴承内圈為(wèi)例，大约為(wèi)4075安匝。由于本计算模型没有(yǒu)考虑泄漏到空气中的磁通、磁滞损耗、涡流损耗，因此将计算出的结果乘以安全系数1.1，磁化器εm=NI=4482安匝。線(xiàn)圈匝数為(wèi)600，选用(yòng)φ1.7mm铜線(xiàn)绕制而成，通入7.5A的電(diàn)流即可(kě)满足磁化要求。
根据上述计算结果，设计得到如图7-67所示的周向励磁装置，磁极部分(fēn)可(kě)更换以适应不同规格的轴承套圈，磁化器封罩用(yòng)于保护内部漆包線(xiàn)，封罩上开百叶窗辅助散热，加装轴流式风扇散热以保证磁化器可(kě)長(cháng)期工作。
二、检测探头
图7-68所示為(wèi)永磁磁轭探头，它主要由磁头、永磁铁S极、永磁铁N极、桥接衔铁及隔片组成，隔片用(yòng)于调节磁极间距。检测时，“N极→轴承套圈→S极→桥接衔铁”形成磁回路，如遇裂纹，漏磁场将被磁头捕捉。永磁铁尺寸為(wèi)4mm×10mm×10mm正对轴承套圈，為(wèi)磁极面。信号放大電(diàn)路為(wèi)10×100倍两级放大，软件放大500倍。
如图7-69所示，检测对象為(wèi)GCr15轴承套圈，大端面刻蚀有(yǒu)宽0.1mm、深0.1mm、長(cháng)10.0mm的人工刻槽。轴承套圈表面光滑，无锈蚀。
不同磁极间距检测结果对比如图7-70所示。磁极间距15mm时，可(kě)检出信号，但信噪比不高，这是由于磁极离磁心过近使之饱和的缘故；磁极间距17mm时，可(kě)检出信号，且信噪比最佳；磁极间距19mm时，不能(néng)检出信号。永磁體(tǐ)尺寸换為(wèi)6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正对轴承套圈，為(wèi)磁极面时，不能(néng)检出信号，同理(lǐ)这也是磁心饱和的缘故。
通过上述分(fēn)析不难发现，含磁心線(xiàn)圈用(yòng)于检测时，需特别注意磁心饱和的问题，局部磁化在一定程度上降低了磁化成本和磁化难度，但是由于磁化器距离传感器较近，对传感器的影响也较大。
短路磁通损耗与磁心前端气隙宽度g、深度h有(yǒu)关；提离损耗与提离值相关，在实际工程中體(tǐ)现在探头耐磨层厚度及探头机构的设计；低频损耗与裂纹漏磁信号空间分(fēn)布相关，即与裂纹尺寸及磁化状况相关；气隙宽度损耗与气隙宽度g、裂纹漏磁信号空间分(fēn)布相关；方位角损耗可(kě)归為(wèi)提离损耗；磁滞损耗可(kě)忽略；涡流损耗可(kě)以从磁心材料、探头工艺等方面着手降低。
因此，从探头设计的角度出发，主要关注磁心前端气隙宽度g、深度ha。
如图7-71所示，磁头式传感器主要由線(xiàn)圈、两片磁心主瓣、两片磁心旁瓣组成，前端缝隙中垫入不同厚度的POM塑料片即可(kě)得到不同的气隙宽度g，气隙深度h。取决于机加工主瓣、旁瓣尺寸。
如图7-72所示，為(wèi)验证磁心前端气隙深度h。对信号的影响，制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四种磁头式传感器，線(xiàn)圈匝数為(wèi)400。人工伤的尺寸為(wèi)（宽）×0.5mm(深）×10.0mm（長(cháng)）。试验过程中使用(yòng)的信号放大板為(wèi)10×100倍，软件放大倍数為(wèi)500倍。
所得原始信号经5阶 Butterworth 滤波器滤波后，试验结果如图7-73所示，信号峰-峰值与前端气隙深度h。近似成反比，气隙深度越小(xiǎo)，越有(yǒu)利于检测，然而气隙深度越小(xiǎo)，探头越不耐磨，因此实际的探头制作中，需要在两者之间做平衡取舍。
如图7-74所示，為(wèi)验证磁心前端气隙宽度g对信号的影响，制作了气隙深度ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六种磁头式传感器，線(xiàn)圈匝数為(wèi)400。人工伤的尺寸為(wèi)0.1mm（宽）)x0.5mm深）x10.0mm（長(cháng)）。试验过程中使用(yòng)的信号放大板為(wèi)10×100倍，软件放大倍数為(wèi)500倍。
试验结果如图7-75所示，气隙宽度mm时，信号峰-峰值Vpp最大；在气隙宽度m时出现了“检测势井”，当气隙宽度m时，信号峰-峰值V在一定范围内呈现出增長(cháng)趋势。这是由于在该试验条件下，m时气隙宽度损耗最大，因此无法有(yǒu)效检出信号。该结果表明，应用(yòng)磁头式传感器进行检测时，在裂纹漏磁信号空间分(fēn)布未知的情况下，应该尽量减小(xiǎo)前端气隙宽度g，以防止它与裂纹漏磁场空间分(fēn)布出现耦合，形成“检测势井”。
如图7-76所示，纵向伤阵列传感器主要由線(xiàn)圈、叠层磁心、隔离片、屏蔽罩组成，探头单元排成两列并沿排布方向两两错开一段距离，以消除单列探头之间的探测盲區(qū)。
三、检测装备
整套装备主要分(fēn)為(wèi)检测装置、信号采集和处理(lǐ)系统、PLC控制系统、外围供電(diàn)供气系统、物(wù)料传送以及上下料装置五部分(fēn)。本节的重点在于检测装置、信号采集和处理(lǐ)系统以及高速检测工艺。
1. 总體(tǐ)方案
按照功能(néng)划分(fēn)，轴承套圈裂纹漏磁检测装备可(kě)以分(fēn)為(wèi)预置、纵向伤检测、剔除、退磁四个主要工位。预置工位為(wèi)冗余过渡工位，当前可(kě)作為(wèi)轴承套圈检测流程的过渡工位，将来可(kě)為(wèi)周向伤检测装置提供安装平台。装备主體(tǐ)-纵向检测主机主要包括五个部分(fēn)：轴承套圈驱动装置、磁化装置、阵列探头组件、信号调理(lǐ)采集处理(lǐ)系统以及自动化控制系统。
轴承套圈驱动装置设计要点：以圆锥滚子轴承套圈為(wèi)研究对象，其形状规整，為(wèi)圆环形零件，适合旋转检测；表面光洁，不需事先清洁处理(lǐ)；為(wèi)便于实现工业自动化，不同尺寸规格轴承套圈的检测工位及上下料工位最好一致。综合上述分(fēn)析，采用(yòng)轴承套圈原地旋转、探头贴合检测的方式。
根据轴承套圈漏磁检测的特点，拟订轴承套圈高速自动化漏磁检测工艺流程，如图7-77所示。
轴承套圈裂纹漏磁检测装备总體(tǐ)方案如图7-78所示。
2. 检测系统
检测系统主要包括纵向伤检测装置、剔除装置和退磁装置三部分(fēn)。
如图7-79所示，纵向伤检测装置可(kě)划分(fēn)為(wèi)工件驱动、规格调整、磁化、压紧、检测和剔除六大主體(tǐ)装置。工件驱动模块的主要部件為(wèi)驱动電(diàn)动机、驱动轮L、驱动轮R、万向滚珠托架等。驱动電(diàn)动机与齿轮直连，经由齿轮组变速、变转矩之后传递给两个驱动轮，在压紧模块的配合下，摩擦带动轴承套圈原地旋转。
规格调整装置主要由手轮、减速机、梯形丝杠、梯形螺母及压紧轴承安装座等构成。如图7-80所示，由于上下料机械手与检测装置之间的距离相对固定，為(wèi)保证所有(yǒu)规格轴承套圈上下料工位位置相同，更换轴承套圈时，需要调整设备状态。减速机起变速、变向的作用(yòng)，30°梯形丝杠螺母机构既可(kě)传动，也可(kě)自锁，压紧轴承安装座上开腰形通孔，可(kě)以调整压紧轴承与上下料工位之间的距离，适应轴承套圈规格的变化。
磁化装置主要由磁化線(xiàn)圈、磁极、磁化器固定架和工业风扇等组成。磁极可(kě)更换规格，以配合轴承套圈规格的变化。工业现场常常要求设备具有(yǒu)连续工作能(néng)力，因此磁化線(xiàn)圈的散热问题需要重视，此处采用(yòng)轴流式工业风扇散热。
如图7-81所示，压紧装置主要由压紧气缸、压紧轴承安装座、万向滚珠托架和可(kě)摆动式压紧总成构成。压紧气缸在检测过程中提供持续的压紧力，万向滚珠托举轴承套圈，减小(xiǎo)其在原地旋转过程中的摩擦力，双驱动轮加双压紧轮的设计虽然更加可(kě)靠，但是存在过定位的问题，因此压紧模块设计為(wèi)可(kě)摆动式。下端面探头阵列置于压紧轮之间，规格调整时跟随轴承一起移动，可(kě)覆盖所有(yǒu)系列轴承套圈下端面。
如图7-82所示，检测装置主要由外表面阵列探头、内表面阵列探头、上端面阵列探头、下端面阵列探头及其动作机构组成。其中，外表面阵列探头由气缸带动，实现贴合及分(fēn)离工件，连接阵列探头与气缸的零件可(kě)拆卸，方便工件规格变化时更换相应的外表面阵列探头；内表面阵列探头铰接于摆臂一端，摆臂由迷你气缸带动，实现贴合及分(fēn)离动作；上端面阵列探头铰接于浮动导杆一端，浮动导杆内置弹簧，可(kě)以适应不同轴承套圈高度的变化并提供持续的压紧力；内表面阵列探头与上端面阵列探头固定在轴承套圈上方的铝型材上，并且可(kě)沿铝型材调整位置；铝型材由气动滑台带动，可(kě)上下移动。检测前，固定于铝型材上的内表面及上端面阵列探头处于高位，轴承套圈上料到位后，气动滑台动作，内表面及上端面阵列探头处于低位，其中上端面阵列探头贴紧上端面。随后，迷你气缸动作，经由摆臂带动内表面阵列探头贴紧内表面。下端面阵列探头固定于两压紧轴承之间，可(kě)随压紧轴承安装座一起调整，長(cháng)度方向足以覆盖该系列所有(yǒu)轴承套圈下端面，阵列探头内置弹簧，可(kě)实现浮动压紧，内置紧定螺钉，用(yòng)于调节弹簧压紧力。
如图7-83所示，剔除装置主要由剔除气缸、气缸导杆、分(fēn)料板和废品收集槽组成。纵向缺陷检测装置检测完毕后，向PLC控制系统反馈相应信息。若轴承套圈检测為(wèi)合格，则剔除气缸不动作，机械手抓取工件在分(fēn)料板上方停留一段时间之后运往下一工位（退磁工位）；若轴承套圈检测為(wèi)不合格，则剔除气缸动作，带动分(fēn)料板上升，机械手抓取工件将其丢人到废品收集槽中。
3. 高速自动化检测工艺
如图7-84所示，系统采用(yòng)流水線(xiàn)式工艺流程，预置工位、纵向伤检测工位、剔除工位、退磁工位依次排开，机械手组件将四个工位有(yǒu)机联系起来。
四、现场应用(yòng)
上述检测系统在现场应用(yòng)如图7-85所示。
测试样品及测试结果如图7-86与图7-87所示。测试结果表明，轴承套圈裂纹漏磁检测装置具有(yǒu)良好的检测灵敏度与可(kě)靠性，检测效率高。
