2014年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況數(shù)據(jù)顯示，2014年我國累計生產(chǎn)汽車2372.29萬輛，同比增長7.3％，銷售汽車2349.19萬輛，同比增長6.9％。汽車輪轂軸承是汽車生產(chǎn)的必備零部件，按照平均1輛汽車使用4個輪轂軸承來估算，2014年全國消費的汽車輪轂軸承將近1億個。由此可見，汽車輪轂軸承的市場十分龐大，這也為輪轂軸承相關配套產(chǎn)業(yè)帶來了很大商機。
輪轂軸承單元汽車結構中，除了要具備軸承應有的支承旋轉軸的作用外，還肩負著保證底盤的結構強度及剛度等任務。當輪轂軸承發(fā)生早期失效時，輪轂軸承的振動和噪聲將明顯增強，結果就是汽車行駛過程中會有強烈的震顫感，并且有較大的噪聲產(chǎn)生。而在目前廣泛使用的第三代汽車輪轂軸承中，存在失效風險的重要部位之一是輪轂軸承的旋壓面。由于旋壓成形面的作用是保證軸承內(nèi)外圈的緊密連接，因此一旦旋壓面出現(xiàn)斷裂事故，將導致軸承的內(nèi)外圈分離，進而導致車輪與車體的分離，這將導致十分嚴重的事故。因此，及時準確地發(fā)現(xiàn)輪轂軸承旋壓面上的裂紋對于車輛行駛安全性具有十分重要的意義。一方面，汽車輪轂軸承的旋壓面對軸承的結構強度十分重要；另一方面，從公開的資料看，國內(nèi)目前尚無適用于輪轂軸承旋壓面無損檢測的專業(yè)設備。為此，介紹一套專用于汽車輪轂軸承旋壓面無損檢測的設備。
一、磁化裝置
磁化在漏磁檢測中是實現(xiàn)檢測的第一步，這一步驟決定著被檢測對象能否產(chǎn)生出可被檢測和可被分辨的磁場信號，同時也左右了檢測信號的性能特性和檢測裝置的結構特性。
磁化裝置在漏磁檢測系統(tǒng)中的主要作用是對工件施加適當磁場，與缺陷相互作用后產(chǎn)生漏磁場。這個施加的磁場應當滿足以下條件：磁場需要足夠均勻，從而使得測量信號與缺陷特性之間具有良好的線性關系；磁場必須足夠強，從而可以在缺陷處產(chǎn)生一個可被測量的漏磁場；檢測范圍的磁場幅度必須相同，以保證檢測范圍內(nèi)的相同尺寸缺陷產(chǎn)生的信號幅值相同。其中，設計磁化器時，首先要保證能夠產(chǎn)生足夠強度的漏磁場，其次應當考慮減小磁化器的尺寸和質量，以節(jié)約成本并簡化設備的結構。
1. 磁化方式
工件的磁化方式按照勵磁源來劃分主要有三種。直流磁化較為均勻，且能夠通過調節(jié)勵磁電流的大小方便地調整勵磁強度，能夠把工件有效飽和磁化。交流磁化具有趨膚效應，它的檢測深度與磁化電流的頻率密切相關，無法激發(fā)工件內(nèi)部或內(nèi)壁缺陷的漏磁場，不過它對工件表面的缺陷具有很好的靈敏度。永磁磁化法作為勵磁磁源時，它的效果相當于固定電流值的直流磁化。
磁化方法按照磁化的形態(tài)來分又可以分為穿過式磁化與磁軛磁化。穿過式磁化主要是指將工件置于一個或者多個磁化線圈的軸線上，使磁力線經(jīng)過工件內(nèi)部及外部空氣后形成一個完整的磁化回路，其優(yōu)點是結構十分簡潔，且磁化器與被磁化工件不需要直接接觸。磁軛磁化主要是指利用鐵磁性的磁軛結合工件的形狀搭建一個理想的磁化回路完成磁化任務，其優(yōu)點是能夠適應多變的工件形狀，缺點是磁化的均勻性不如遠場磁化?；谳嗇炤S承旋壓面空間狹小且與其他部件相連的結構特點，磁軛磁化的方法顯然更能適應其復雜的形狀及檢測位置。
2. 磁化裝置
a. 磁軛
首先應該確定磁軛的基本形狀。根據(jù)鋼管軸向裂紋磁化的思路，對于旋壓面的徑向裂紋，初步設計了兩種基本的磁軛方案，如圖7-35所示。
兩個方案理論上都可以在旋壓面上施加繞周向的磁場，圖7-35a所示為非對稱形式，圖7-35b所示為對稱形式。在磁化線圈的安匝數(shù)相同的情況下，圖7-35a所示方案會在圖中所示的狹窄區(qū)形成一片磁場較強的區(qū)域，但另一側的磁場相對來說會明顯偏弱，而圖7-35b所示方案雖然沒有這種聚焦效應，但其優(yōu)點是磁化場對稱分布，這對探頭的布置來說很重要。若采用圖7-35a所示的方案，則探頭只能布置在圖中磁場強的位置，如果兩側都布置探頭，則會出現(xiàn)檢測靈敏度差異。由于旋壓面區(qū)域本就空間狹小，為了能夠充分利用空間進行探頭布置，故采用圖7-35b所示的磁軛方案。
b. 磁路
磁路分析的目的是依據(jù)被磁化工件內(nèi)部的理想磁化強度，推導出理想的直流磁化線圈的規(guī)格和通電電流的選擇，兩者綜合起來就是線圈的安匝數(shù)。
圖7-36a所示為初步設計的徑向裂紋磁化器模型。其中為了簡化計算，將輪轂軸承旋壓面從軸承整體中分離出來，輪轂軸承的其他部分對磁化的影響將在基本計算結束后予以修正。圖7-36b所示為該磁化器模型所對應的等效磁路模型。
等效模型中，εm為磁化線圈的磁動勢（即安匝數(shù)），Riron為左半邊磁軛的磁阻，R'iro為iron右半邊磁軛的磁阻，Rair為圖7-36a中空氣隙的磁阻，Rhub為輪轂軸承旋壓面的磁阻，Φ為m干路磁通，Φair為通過空氣隙的磁通，Φhub為通過軸承旋壓面的磁通。圖7-37所示為標準軸承鋼GCr15的磁化特性曲線。
取飽和區(qū)的磁場強度H=12000A/m作為工件內(nèi)部目標磁場強度，從圖7-37中的B-H曲線可以得到此時工件內(nèi)的磁感應強度μ-H曲線可以得到此時材料的相對磁導率
磁路中各構件的已知基本參數(shù)見表7-3。
輪轂軸承旋壓面的橫截面積，由此可以算得，基于這一結果，根據(jù)磁阻計算公式推導得到表7-4中的參數(shù)。
最后算得（安匝）。這是初步計算得到的結果，上述計算是基于旋壓面從輪轂軸承整體中分離出來后的簡化模型，而實際上旋壓面是輪轂軸承內(nèi)圈的一部分，且旋壓面與軸承外圈也有直接接觸，因而實際上有相當部分的磁通是從其他部位流過的。根據(jù)經(jīng)驗，將計算結果得到的安匝數(shù)乘以2之后可以完全保證達到預計的磁化強度，最終確定的安匝數(shù)為Einal=28m≈700安匝。
c. 磁化器
先是確定線圈的匝數(shù)。在上文的磁路計算中得到的參數(shù)依據(jù)是安匝數(shù)，但并沒有確定具體的線圈匝數(shù)。在安匝數(shù)一定的條件下，線圈的匝數(shù)和勵磁電流成反比關系。勵磁電流偏大時，線圈的發(fā)熱功率會增大，根據(jù)焦耳定律，電流的小幅度增大都會導致發(fā)熱功率的明顯增加，因而在確定勵磁線圈的匝數(shù)時，應當遵循的原則是：在磁化器體積允許的情況下，盡力增加匝數(shù)，從而減小勵磁所需的電流，以控制勵磁線圈的發(fā)熱量在安全合理的范圍內(nèi)。這里確定的磁化線圈匝數(shù)是400匝，勵磁電流小于2A，采用φ1.7mm線徑的銅線進行繞制。
其次是線圈的散熱問題。緩解線圈的發(fā)熱問題一般有兩大類措施：一類是用熱的良導體（一般是金屬）將線圈發(fā)出的熱量分散開來，增加整體的散熱面積；另一類是流體冷卻法，采用風冷或水冷的方式加速熱量的擴散，電氣設備中一般用風冷的方法。實際應用中往往兩種方法一起使用，采用不銹鋼外殼來分散磁化線圈的熱量，用風扇來實現(xiàn)風冷。
按照上述原則制作的磁化器實物如圖7-38所示。
二、檢測探頭
1. 輪轂軸承旋壓面檢測分析
a. 輪轂軸承旋壓面檢測特點
輪轂軸承旋壓面的檢測與普通的軸承套圈檢測存在著顯著的不同。
首先，輪轂軸承旋壓面的回轉母線為曲線，而普通的軸承套圈端面的回轉母線為直線，因而相對來說，實現(xiàn)對輪轂軸承旋壓面的全覆蓋檢測具有較高的難度，軸承旋壓面的探靴形狀需要契合其回轉面的特殊形狀，如圖7-39所示。
其次，輪轂軸承旋壓面各個部位曲率有很大差別，為了確保每個傳感器能夠準確有效地貼合旋壓面，需要設計帶有獨立浮動功能的傳感器陣列，以保證檢測的準確性。
b. 旋壓面缺陷位置
由于旋壓面本身形狀較復雜，將其劃分為3個差異比較大的部位，并進行命名，如圖7-40所示。其中，內(nèi)圓角面是指旋壓面內(nèi)側半徑為R5mm的圓角部位，這一部位曲率較大；中間平面是指旋壓面最上端的平臺位置，這一部位近似為平面；外側坡面為旋壓面最外側部位，這一部位有一定的弧度，但曲率較小。
c. 旋壓面缺陷類型
旋壓面的基本缺陷類型主要包括裂紋以及旋壓面受到磕碰后留下的麻點凹坑類缺陷，其中又以裂紋為最主要缺陷，兩種缺陷的示意圖如圖7-41所示。由于缺陷尺寸較小，因此圖中對缺陷的輪廓進行了勾勒，以便清楚地顯示缺陷。
裂紋的潛在危害在于，徑向裂紋一旦擴展到一定程度，旋壓面的整體形狀將發(fā)生顯著改變，使得輪轂軸承內(nèi)外圈與滾珠之間無法實現(xiàn)無縫隙的貼合，從而造成輪轂軸承內(nèi)外圈的晃動，產(chǎn)生噪聲并影響汽車行駛的穩(wěn)定性。
凹坑的潛在危害在于，凹坑如果擴展到一定程度，旋壓面有可能部分脫落，使得軸承內(nèi)外圈之間的壓緊力顯著下降，在一定的載荷下可能造成軸承內(nèi)外圈分離，也就是說會造成汽車的車輪與車軸分離，后果十分嚴重。
2. 探頭
在漏磁檢測中，探頭主要肩負著以下功能要求：
a. 保證傳感器與被檢測對象的良好接觸。這一功能主要靠探靴的浮動跟蹤能力來實現(xiàn)，不同的傳感器以及不同的檢測對象對探靴浮動的要求不同，基本的原則是：既要保證傳感器保持最佳檢測姿態(tài)，又要盡量減少運動自由度。
b. 保證一定的提離值。設定提離值的目的是在探頭磨損較為劇烈的場合，避免傳感器與被檢測工件直接摩擦而損壞，而提離值一般由探靴的浮動功能及傳感器在探靴內(nèi)的等距離封裝來保證。
c. 保證傳感器對工件的覆蓋率，實際檢測中往往通過布置合適的傳感器陣列形成線狀檢測探頭，配合合適的掃查運動，實現(xiàn)對被檢測工件的全覆蓋檢測。
①. 傳感器陣列設計 在輪轂軸承旋壓面的漏磁檢測中，首先要選擇合適的傳感器陣列以保證傳感器對旋壓面的全覆蓋?；舅悸肥歉采w旋壓面的一條回轉母線，如圖7-42所示，配合回轉掃查運動，即可實現(xiàn)對整個旋壓面的全覆蓋檢測。
設L為旋壓面回轉母線的長度，l．為單個磁頭傳感器的覆蓋寬度，所需傳感器個數(shù)為N，若要求傳感器覆蓋范圍之間有20％的重疊率，則應滿足下式要求：Nlg≥120%LL。旋壓面回轉母線的長度L≈12mm，單個磁頭傳感器的覆蓋寬度，則所需的最少傳感器個數(shù)。由于旋壓面的空間非常狹小，傳感器密集排列會給探靴制作工藝帶來較大難度。為了避免這一問題，采用4個傳感器分散布置到旋壓面兩端的方法，充分利用狹小的空間。
②. 傳感器浮動跟蹤 除了實現(xiàn)全覆蓋檢測，試驗結果顯示，磁頭傳感器隨著提離值的增大，其檢測信號輸出會迅速減小，因此探頭還需要設置浮動功能，以保證每個傳感器在檢測過程中始終緊貼旋壓面，實現(xiàn)最優(yōu)的檢測效果。
要保證每個傳感器對旋壓面的良好接觸，無法采用常見的整體式探靴浮動方案，因為分散式傳感器陣列中的每個傳感器所覆蓋的旋壓面部位的曲率不同，因而各個傳感器與旋壓面的接觸狀態(tài)有很大的差異。要保證每個傳感器的有效浮動，只能采用分散式的浮動方案，即為每個傳感器配備獨立的浮動結構。
為了實現(xiàn)每個傳感器的獨立浮動，采用如圖7-43所示的探頭芯體。芯體一側設計了容納傳感器的開槽，槽底部放置了微型彈簧，能夠實現(xiàn)每個傳感器的獨立浮動，浮動行程達到2mm，由于旋壓面的形狀精確且表面潔凈，這一浮動行程完全能夠滿足傳感器緊貼旋壓面的需求。
探頭芯體裝入探靴殼體，采用膠封工藝后即可獲得完整的探頭，如圖7-44所示。
經(jīng)過測試，探頭與旋壓面的貼合狀態(tài)良好，傳感器的浮動結構能夠順暢工作，能夠保證平穩(wěn)的檢測。探頭貼合狀態(tài)示意圖如圖7-45所示。
③. 探頭與磁化器一體化 由于旋壓面區(qū)域空間十分狹小，探頭與磁化器在空間上難以分開布置，因此需要進行探頭與磁化器的一體化設計。通過協(xié)調探靴外殼的厚度與磁化器兩極靴間的距離，將探頭整體布置在磁化器兩極靴之間的位置上，加裝固定裝置后，成功地實現(xiàn)探頭與磁化器的一體化，裝置結構如圖7-46所示。
三、檢測平臺
1. 總體方案
輪轂軸承旋壓面漏磁檢測裝置由磁化裝置、探頭裝置、傳送裝置、采集電路、計算機及采集軟件、分選裝置和退磁裝置組成，總體框架如圖7-47所示。
2. 檢測平臺
按照上述框架，旋壓輪轂軸承漏磁檢測平臺的總體效果圖如圖7-48所示。
a. 吸緊模塊
旋壓輪轂軸承在檢測過程中需要被準確放置在若干個位置，分別完成掃查、分選和退磁等工序，因而有必要布置一個抓緊模塊對旋壓軸承進行抓取。利用磁軛式磁化器能夠與被磁化工件之間產(chǎn)生很大吸力的特點，直接用磁化器完成抓緊功能。采用這一方法可以使檢測平臺更加緊湊簡潔。一般情況下，磁化器只需要通以1A的電流就可以產(chǎn)生足以克服軸承重力的吸緊力，而在實際的漏磁檢測過程中，用來對工件進行磁化的電流一般設定為2～3A，因而這一方案完全可以滿足吸緊力要求。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，在吸緊時若軸承旋壓面與磁化器極靴直接接觸，則由于兩者吸力過大而造成接觸面摩擦力過大，軸承與磁化器之間無法相對轉動，這不符合后續(xù)掃查動作的要求，并且在磁化器斷電之后，由于磁化器極靴在一段時間內(nèi)剩磁較大，造成軸承無法被立即釋放，給檢測工序的銜接帶來不利影響。為了消除這一不良影響，設計了圖7-49所示的鋁合金材質的定位塊，其作用是在磁化器與軸承吸緊時將兩者隔開一定距離，避免產(chǎn)生過大摩擦力，同時消除磁化器斷電后極靴剩磁對軸承的影響。經(jīng)測試，加裝定位塊后，軸承與磁化器可以實現(xiàn)相對轉動，且磁化器斷電后軸承被立即釋放，滿足了檢測流程的需要。
b. 掃查與分選模塊
在探頭設計過程中已經(jīng)用傳感器陣列實現(xiàn)了對旋壓面回轉母線的覆蓋，因此掃查機構只需要為軸承提供一個旋轉運動即可實現(xiàn)對旋壓面的全覆蓋掃查。如圖7-50所示，本裝置利用輪轂軸承內(nèi)圈法蘭上自帶的螺釘，用電動機（安裝在底板下方）驅動一個旋轉撥桿來為軸承提供旋轉運動。
在對輪轂軸承旋壓面進行檢測后，若發(fā)現(xiàn)有缺陷工件，需要將其及時分選出來，因而緊接著掃查模塊布置了分選模塊。分選裝置如圖7-51所示，采用撥桿式分選，由安裝在底板下方的氣缸驅動，分選動作可以將疑似帶缺陷軸承推入與檢測流水線相垂直的缺陷品通道。
c. 傳送模塊
傳送模塊包含水平傳送與升降傳送。水平傳送用于完成軸承在各個工位之間的轉換，升降傳送用于滿足具體工位對軸承高度的需要，掃查工位要求軸承處于懸空狀態(tài)以保證順暢旋轉，分選工位和退磁工位則要求軸承放置在底板上。
在整個檢測過程中，軸承需要經(jīng)過上料工位、掃查工位、分選工位和下料工位共4個工位，即水平方向上軸承要準確地在4個不同位置停留。實現(xiàn)這一功能有兩種方案：①. 采用絲杠螺母機構提供水平運動，使用光電感應開關進行位置控制；②. 采用水平布置的串聯(lián)氣缸提供動力，靠各個氣缸行程的組合來實現(xiàn)位置控制。
對比兩種方案，方案①. 采用電子方式實現(xiàn)位置控制，方案②. 采用機械式位置控制。相對來說，方案②成本更低，可靠性更高，且裝置體積可以做得比較小，因此采用后一種方案。
傳送裝置采用一對行程為200mm的氣缸進行串聯(lián)安裝，吸緊裝置和退磁器布置在如圖7-52所示的位置。為了方便描述，為每個氣缸進行了編號，水平氣缸為P1和P2，豎直氣缸為S1和S2。氣缸P1和P2同時伸展時，吸緊裝置夾持軸承為位置A（上料工位）；氣缸P1伸展P2收縮時，軸承被移動至位置B（掃查工位）；氣缸P1和P2同時收縮時，軸承被移動至位置C（分選工位）。一個周期結束后，軸承未被直接送入位置D（下料工位），等待下一周期氣缸P1收縮時由安裝在退磁器上的撥桿將軸承從位置C推入位置D。氣缸S1和S2用于實現(xiàn)吸緊裝置和退磁裝置的升降，滿足各工位中對軸承高度的要求。
3. 檢測流程
每個檢測周期開始時，氣缸P1和P2處于伸展狀態(tài)，氣缸S1和S2處于收縮狀態(tài)，檢測平臺的上料工位放置著剛剛被填充進來的待檢測軸承K1，分選工位上放置著上一周期已經(jīng)完成檢測的軸承K2，這里假設軸承K1帶有可被檢測到的缺陷，軸承K2沒有缺陷，因而K2在上一檢測周期結束后沒有被分選裝置推入回收箱。檢測周期初始狀態(tài)如圖7-53所示。
a. 檢測步驟1（圖7-54）檢測開始，氣缸S1伸展，磁化器下降，勵磁電流接通，軸承K1被吸緊。
b. 檢測步驟2（圖7-55）氣缸S1收縮，軸承K1被抬起。氣缸P2收縮，軸承K1被傳送至掃查工位。掃查電動機通電開始掃查，漏磁檢測軟件啟動，采集數(shù)據(jù)并做出有無缺陷的判斷（這里假設K1有缺陷，因此系統(tǒng)將其判定為次品）。氣缸S2伸展，退磁器下降與上一周期檢測完成的軸承K2接觸，退磁器通電，對K2執(zhí)行退磁工序。
c. 檢測步驟3（圖7-56）氣缸P1收縮，軸承K1被吸緊裝置傳送至分選工位，軸承K2被退磁器上的撥桿推至下料工位，氣缸S1伸展，磁化器和退磁器斷電，軸承K1被吸緊裝置釋放。
d. 檢測步驟4（圖7-57）氣缸S1和S2收縮，由于系統(tǒng)將軸承K1判定為次品，分選裝置接收命令將軸承K1推入到次品回收通道。
e. 檢測步驟5（圖7-58）氣缸P1和P2伸展，磁化器和退磁器回歸到原始位置，下一個被檢測的軸承K3被裝填到上料工位，等待下一個檢測周期。
四、現(xiàn)場應用
本檢測設備的驗收標準為實現(xiàn)對0.20mm寬、0.03mm深裂紋的檢測，為此，制作了刻有0.20mm寬、0.03mm深貫穿式裂紋的測試樣品進行試驗，如圖7-59所示。
完成對檢測平臺的組裝后，在設備使用現(xiàn)場進行了樣品檢測試驗，檢測設備與測試信號分別如圖7-60和圖7-61所示。
從圖7-61所示的檢測信號可以看出，該檢測設備在現(xiàn)場對測試樣品的裂紋能夠準確檢出，信號清晰可辨，加入補償比例后，一致性良好，滿足輪轂軸承漏磁檢測要求。
