隨著工業(yè)不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)軸承的質(zhì)量要求越來(lái)越高。滾子作為軸承中的滾動(dòng)零件，關(guān)系到軸承工作時(shí)的動(dòng)態(tài)性能，因此滾子的加工工藝必須達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。滾子也是軸承中最薄弱的地方，如果滾子表面存在裂紋，當(dāng)其工作于高速重載條件下時(shí)，不僅工作精度和使用壽命等會(huì)受到影響，裂紋還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，而最終導(dǎo)致軸承失效，造成重大安全事故。因此，需要對(duì)滾子表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。
國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)于軸承滾子的檢測(cè)研究從接觸式逐漸發(fā)展到非破壞性、非接觸式的無(wú)損檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)是在保證不損傷檢測(cè)工件的前提下，對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估以及缺陷檢出定位等的技術(shù)。目前軸承滾子的主要檢測(cè)方法有磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、光電檢測(cè)、超聲檢測(cè)、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)等。
磁粉檢測(cè)法適用于零件表面以及近表面裂紋檢測(cè)，檢測(cè)效率低，且存在污染；渦流法難以檢測(cè)內(nèi)部缺陷，同時(shí)受背景磁場(chǎng)影響較大；光電檢測(cè)法精度要求較高，易受檢測(cè)過(guò)程中的振動(dòng)、抖動(dòng)影響；超聲法檢測(cè)效率低，存在表面檢測(cè)盲區(qū)，且檢測(cè)時(shí)需使用耦合劑，影響后續(xù)工藝進(jìn)程；機(jī)器視覺(jué)法只能檢測(cè)滾子的表面缺陷，同時(shí)滾子表面光滑、粗糙度低，易發(fā)生鏡面反射導(dǎo)致成像質(zhì)量差。
與以上檢測(cè)方法相比，漏磁檢測(cè)具有檢測(cè)效率高、自動(dòng)化程度高及無(wú)污染等特點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)靈敏度高，能夠有效檢出裂紋、表面劃傷、凹坑等缺陷?；诼┐艡z測(cè)原理，提出了一種軸承滾子微細(xì)裂紋漏磁檢測(cè)方法，可適用于不同規(guī)格及復(fù)雜檢測(cè)工況下的軸承滾子檢測(cè)。
1、漏磁檢測(cè)方法
漏磁檢測(cè)利用磁源對(duì)鐵磁性工件進(jìn)行磁化，磁場(chǎng)主要分布在工件內(nèi)部；如果工件存在裂紋，部分磁通會(huì)泄漏到工件表面的空間中，并在工件裂紋處激發(fā)形成漏磁場(chǎng)，檢測(cè)時(shí)采用磁傳感器來(lái)拾取漏磁場(chǎng)信號(hào)從而獲得裂紋信息。軸承滾子漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。
圖1 軸承滾子漏磁檢測(cè)原理示意
根據(jù)該檢測(cè)原理，提出了軸承滾子微細(xì)裂紋漏磁檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由磁化器、軸承滾子、檢測(cè)探頭、信號(hào)處理系統(tǒng)等4部分組成。檢測(cè)時(shí)，磁化器將滾子磁化到近飽和狀態(tài)，裂紋處磁場(chǎng)泄漏到空氣中，探頭拾取到漏磁場(chǎng)，將漏磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳輸?shù)叫盘?hào)處理系統(tǒng)中進(jìn)行放大、濾波等處理，最終得到裂紋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承滾子表面裂紋的檢測(cè)。
圖2 軸承滾子漏磁檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
2、仿真分析
為了對(duì)該檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，建立如圖3所示的仿真模型（Q為內(nèi)部測(cè)點(diǎn)，P為外部測(cè)點(diǎn)），研究滾子表面的背景磁場(chǎng)及漏磁場(chǎng)特性。
圖3 軸承滾子磁化仿真模型
滾子直徑(D)為30 mm，裂紋深度(h)為100 μm，寬度(b)為100 μm。材料設(shè)置為GCr15，磁化線圈匝數(shù)為600匝，通5~10 A的電流。內(nèi)部測(cè)點(diǎn)Q（距離滾子表面0.4 mm）磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流強(qiáng)度的變化曲線如圖4所示；在外部測(cè)點(diǎn)P（距離滾子表面0.4 mm）處測(cè)得背景磁場(chǎng)與裂紋的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度（將裂紋處材料設(shè)置為GCr15），計(jì)算得到無(wú)裂紋處背景磁場(chǎng)與電流大小的關(guān)系，如圖5所示；進(jìn)而得到不同電流強(qiáng)度下裂紋的漏磁場(chǎng)信號(hào)，如圖6所示。
圖4 滾子內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度隨電流強(qiáng)度的變化曲線
圖5 無(wú)裂紋處背景磁場(chǎng)強(qiáng)度隨電流強(qiáng)度的變化曲線
圖6 不同電流強(qiáng)度下裂紋的漏磁場(chǎng)信號(hào)
對(duì)于同一尺寸的裂紋，磁化強(qiáng)度越大，滾子內(nèi)部近表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，裂紋產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，傳感器越有可能拾取到裂紋信號(hào)。根據(jù)圖6可以看出，隨著電流強(qiáng)度的增大，滾子近表層的磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)磁化電流為9 A時(shí)，外壁檢測(cè)區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.6 T，接近飽和磁化。因此，線圈通電電流選取為9 A，此時(shí)滾子表面的背景磁場(chǎng)大小為37 mT。
在滾子表面設(shè)置寬度為100 μm，深度分別為15，30，50，100，150，200 μm的裂紋，磁化電流設(shè)置為9 A，在滾子表面提離0.4 mm處，沿掃描路徑提取不同深度下的切向漏磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bt，Bt隨裂紋深度的變化曲線如圖7所示。
圖7 切向漏磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度分量隨裂紋深度的變化曲線
由圖7可知，磁場(chǎng)在光滑表面分布均勻，缺陷處波形出現(xiàn)一個(gè)單峰；在缺陷正上方，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大，裂紋越深，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，且信號(hào)幅值與裂紋深度呈線性關(guān)系。
3、基于測(cè)點(diǎn)區(qū)域近零磁場(chǎng)調(diào)控的TMR測(cè)磁方法
在漏磁檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)于不同規(guī)格的滾子，隨著滾子直徑的增加，所需磁化強(qiáng)度越來(lái)越大，而表面微細(xì)裂紋產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，檢測(cè)要求更加嚴(yán)格。因此，利用漏磁檢測(cè)方法對(duì)滾子進(jìn)行微細(xì)裂紋檢測(cè)時(shí)，存在漏磁場(chǎng)小，背景磁場(chǎng)大的檢測(cè)問(wèn)題。漏磁場(chǎng)的拾取主要依靠磁傳感器，較大的背景磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致傳感器超量程飽和，出現(xiàn)靈敏度降低、信號(hào)失真甚至無(wú)法檢測(cè)出信號(hào)等問(wèn)題。常用的霍爾元件線性范圍大，但靈敏度較低，TMR（隧道磁電阻）傳感器相較于霍爾傳感器、AMR（各向異性磁阻）以及GMR（巨磁阻），具有良好的溫度穩(wěn)定性，同時(shí)檢測(cè)靈敏度更高。基于以上問(wèn)題，選擇TMR傳感器拾取信號(hào)，結(jié)合仿真得到的背景磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，提出了基于測(cè)點(diǎn)區(qū)域近零磁場(chǎng)調(diào)控的TMR測(cè)磁方法。
對(duì)不同規(guī)格或不同工況的軸承滾子進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要施加不同強(qiáng)度的磁化場(chǎng)，改變檢測(cè)探頭所處的背景磁場(chǎng)強(qiáng)度。因此，設(shè)計(jì)了線圈電磁磁化的偏置檢測(cè)探頭，建立基于線圈磁化回路的自適應(yīng)測(cè)點(diǎn)近零磁場(chǎng)環(huán)境?；诰€圈偏置的TMR傳感器檢測(cè)原理如圖8所示，探頭主要由TMR傳感器、霍爾元件、磁軛、線圈組成，TMR傳感器選用多維2001型號(hào)；選用0811型霍爾元件測(cè)量TMR傳感器所處位置背景磁場(chǎng)的大??；磁軛選用高磁導(dǎo)率、低損耗的硅鋼片制作而成，用以聚磁、傳導(dǎo)磁場(chǎng)；線圈采用直徑為1 mm的漆包線制作，包裹在磁軛外，用以產(chǎn)生與背景磁場(chǎng)相反的偏置磁場(chǎng)，對(duì)TMR的背景磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，使得其工作在高靈敏度區(qū)，并且具有較強(qiáng)的抗外界電磁干擾能力。在實(shí)際漏磁檢測(cè)中，測(cè)點(diǎn)處測(cè)量得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度為線圈磁化后產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度與施加的反向偏置磁場(chǎng)共同作用后的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
圖8 基于線圈偏置的TMR傳感器檢測(cè)原理
建立直徑為30 mm的軸承滾子模型，滾子表面設(shè)置寬度為100 μm，深度為100 μm的刻槽，磁化線圈匝數(shù)為600匝，磁化電流為10 A。傳感器偏置磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度設(shè)置為35 mT，仿真得到加偏置磁場(chǎng)前后的裂紋漏磁場(chǎng)信號(hào)如圖9所示，檢測(cè)區(qū)域背景磁場(chǎng)下降至約0 mT，根據(jù)仿真結(jié)果顯示加偏置磁場(chǎng)前后裂紋處的漏磁場(chǎng)云圖如圖10所示，可見(jiàn)反向的偏置磁場(chǎng)對(duì)滾子的磁化狀態(tài)有一定影響，但影響較小，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度峰峰值下降15%左右，不影響信號(hào)檢出。
圖9 加偏置磁場(chǎng)前后裂紋的漏磁信號(hào)
圖10 加偏置磁場(chǎng)前后裂紋處的漏磁場(chǎng)云圖
為了保證偏置電流能夠隨背景磁場(chǎng)變化而相應(yīng)改變，采用了電流反饋控制系統(tǒng)，主要包括PLC控制模塊、模擬量模塊、可控硅電源調(diào)節(jié)模塊?？刂普{(diào)節(jié)變壓器初級(jí)線圈中可控硅的導(dǎo)通角，即可改變變壓器初級(jí)線圈的電壓幅值，從而改變變壓器次級(jí)線圈的輸出電壓，達(dá)到控制偏置電流大小的目的。
根據(jù)設(shè)定值對(duì)PLC模擬量輸出端給定一個(gè)初值，初始輸出電流為0 A，在輸出初始電流后，再檢測(cè)霍爾傳感器的輸出電壓值，并將其作為輸入端信號(hào)；比較霍爾元件在靜態(tài)時(shí)輸出的電壓值與磁化后的輸出電壓值，然后根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行增量電流調(diào)節(jié)，微調(diào)量（ΔI）取0.1 A，形成一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)的反饋回路，使得輸出電流滿(mǎn)足要求。
4、檢測(cè)試驗(yàn)
為了對(duì)該測(cè)磁方法進(jìn)行驗(yàn)證，搭建如圖11所示的試驗(yàn)平臺(tái)，選取如圖12所示，直徑為30 mm的軸承滾子進(jìn)行檢測(cè)，工件表面刻有周向分布的標(biāo)準(zhǔn)傷，長(zhǎng)度為10 mm，寬度為100 μm，深度為100 μm，檢測(cè)探頭如圖13所示。
圖11 軸承滾子漏磁檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)
圖12 檢測(cè)工件外觀
圖13 檢測(cè)探頭外觀
未磁化時(shí)，霍爾元件輸出電壓為0 mV；磁化線圈加載10 A激勵(lì)電流，此時(shí)軸承滾子處于近磁飽和狀態(tài)，滾子表面的背景磁場(chǎng)強(qiáng)度為15 mT，霍爾元件輸出電壓為50 mV；偏置線圈調(diào)節(jié)電流輸入為2.2 A時(shí)，霍爾元件輸出電壓歸于0 mV。探頭采集到10 A電流偏置前后的輸出電壓信號(hào)如圖14所示。
圖14 10 A電流偏置前后的輸出電壓信號(hào)
采用上述試驗(yàn)平臺(tái)，檢測(cè)工件上刻傷裂紋深度分別為15，30，50，150，200 μm（其中15，30 μm深裂紋采用標(biāo)準(zhǔn)磁粉試片代替），得到偏置前與偏置后輸出電壓信號(hào)峰峰值與裂紋深度的關(guān)系曲線如圖15所示。由圖15可見(jiàn)，在一定條件下，隨著裂紋深度的增加，輸出信號(hào)峰峰值呈線性增加，偏置后的輸出信號(hào)幅值相較于偏置前的信號(hào)幅值明顯增大。
圖15 10 A電流偏置前后輸出電壓信號(hào)峰峰值與裂紋深度的關(guān)系曲線
經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，得到10 A電流激勵(lì)下不同深度裂紋的信噪比如表1所示，可見(jiàn)偏置后裂紋漏磁信號(hào)的信噪比明顯提升，對(duì)于15 μm深的裂紋，偏置前無(wú)信號(hào)，偏置后可檢出信號(hào)。
表1 10 A電流激勵(lì)下不同深度裂紋的信噪比/dB
激勵(lì)電流為15 A時(shí)，軸承滾子處于磁過(guò)飽和狀態(tài)，滾子表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為24 mT，霍爾元件輸出電壓為85 mV。偏置線圈調(diào)節(jié)電流輸入為3.5 A時(shí)，霍爾元件輸出電壓歸于0 mV。深為100 μm的裂紋15 A電流偏置前后的輸出電壓信號(hào)如圖16所示，15 A電流偏置前后輸出電壓與裂紋深度的關(guān)系如圖17所示，可見(jiàn)過(guò)磁飽和狀態(tài)下，TMR傳感器拾取到的信號(hào)很小，調(diào)節(jié)偏置電流后，探頭才能有效拾取到裂紋信號(hào)。15 A電流激勵(lì)下不同深度裂紋的信噪比如表2所示。
圖16 深為100 μm的裂紋15 A電流偏置前后的輸出電壓信號(hào)
圖17 15 A電流偏置前后輸出電壓與裂紋深度的關(guān)系
表2 15 A電流激勵(lì)下不同深度裂紋的信噪比/dB
由表2可見(jiàn)，對(duì)于15，30 μm深的裂紋，偏置前無(wú)信號(hào)，偏置后可檢出信號(hào)，偏置后不同深度裂紋的檢出率均有提升，且與近飽和磁化狀態(tài)下相比較，信號(hào)的信噪比略有提升，即對(duì)于不同背景磁場(chǎng)強(qiáng)度下的漏磁檢測(cè)，該偏置探頭均可調(diào)節(jié)偏置電流的大小，建立良好的測(cè)點(diǎn)區(qū)域近零磁場(chǎng)環(huán)境。
結(jié) 語(yǔ)
(1) 基于漏磁檢測(cè)原理，提出了軸承滾子微細(xì)裂紋漏磁檢測(cè)方法，并通過(guò)仿真分析了裂紋產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)特性。
(2) 提出了測(cè)點(diǎn)區(qū)域近零磁場(chǎng)調(diào)控的TMR測(cè)磁方法，并設(shè)計(jì)了線圈電磁磁化的偏置檢測(cè)探頭，建立基于線圈磁化回路的自適應(yīng)測(cè)點(diǎn)近零磁場(chǎng)環(huán)境，使得探頭能夠適用于不同工況下的漏磁檢測(cè)。
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