李二龍，康宜華，楊蕓，劉海峰，王大平

（1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.重慶長(zhǎng)江軸承股份有限公司，重慶 401336）

輪轂軸承是汽車的關(guān)鍵零部件，第3代輪轂軸承采用旋壓工藝進(jìn)行裝配，裝配后軸承的整體性好，安裝維護(hù)便捷，在汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。但輪轂軸承在旋壓加工中易產(chǎn)生裂紋，為提高汽車安全性能，對(duì)輪轂軸承旋壓面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)具有重要意義。

軸承的無(wú)損檢測(cè)主要有超聲、磁粉、滲透、漏磁和渦流等方法［5-9］：旋壓面是一個(gè)空間曲面且裂紋深度淺，超聲波檢測(cè)難以適應(yīng)；旋壓后軸承內(nèi)部封裝有潤(rùn)滑油，磁粉檢測(cè)磁懸液會(huì)破壞輪轂軸承內(nèi)部油脂；而使用仿形包絡(luò)的渦流探頭僅能檢測(cè)外表面裂紋，難以發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部和旋壓背面缺陷；漏磁檢測(cè)因精度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［10-11］。

因此，提出一種采用仿形包絡(luò)的磁化器和檢測(cè)探頭陣列實(shí)現(xiàn)輪轂軸承旋壓面漏磁的探傷方法［12］，配合機(jī)械和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化探傷，既能檢測(cè)輪轂軸承表面缺陷，又可探知材料內(nèi)部和旋壓背面缺陷。

1 檢測(cè)方法

1.1 旋壓面缺陷分析

第3代輪轂軸承內(nèi)圈零件的旋壓過(guò)程如圖1所示。旋壓過(guò)程中旋鉚頭與軸承內(nèi)圈始終保持單點(diǎn)接觸，旋壓圓角位置變形為軸向彎曲和徑向延展，易產(chǎn)生斜向裂紋；旋壓外圓位置變形主要為周向延展，易產(chǎn)生徑向裂紋。旋壓面金屬最大變形區(qū)域?yàn)樾龎和鈭A位置，此處金屬受周向拉應(yīng)力較大，易產(chǎn)生徑向裂紋。

圖1 旋壓工藝圖紙F(tuán)ig.1 Diagram of spinning process

軸承在生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中與工裝零件之間發(fā)生磕碰也可能造成旋壓面產(chǎn)生表面淺裂紋，如圖2所示。因磕傷產(chǎn)生的小缺陷雖不影響軸承使用，但如果數(shù)量較多，仍會(huì)降低軸承表面質(zhì)量，帶來(lái)安全隱患。

圖2 輪轂軸承旋壓裂紋Fig.2 Spinning crack on hub bearing

1.2 漏磁檢測(cè)方法

輪轂軸承旋壓過(guò)程中旋壓面易產(chǎn)生徑向和斜向裂紋，且裂紋在表面和旋壓背面均有分布，使用漏磁法能夠檢測(cè)出旋壓表面、材料內(nèi)部和旋壓背面的缺陷，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠且檢測(cè)精度高，可發(fā)現(xiàn)旋壓面微小裂紋。

漏磁檢測(cè)原理如圖3所示，當(dāng)鐵磁性構(gòu)件被外加磁化器磁化飽和后，如果構(gòu)件上存在腐蝕或機(jī)械損傷等缺陷，磁力線會(huì)泄漏到構(gòu)件外部，從而在構(gòu)件表面形成漏磁場(chǎng)。在工件表面放置磁場(chǎng)傳感器，即可探測(cè)到該漏磁場(chǎng)。

圖3 漏磁檢測(cè)原理示意圖Fig.3 Diagram of MFL detection principle

1.2.1 磁化方法與磁化器

旋壓面為空間回轉(zhuǎn)曲面，空間曲面上的磁力線易發(fā)生扭曲，形成不均勻磁場(chǎng)。根據(jù)漏磁探傷原理，磁化場(chǎng)應(yīng)使得被檢局部區(qū)域飽和，且磁力線方向垂直于裂紋走向。結(jié)合輪轂軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用U形磁軛磁化方法，增加與旋壓面嚙合的極靴導(dǎo)套，形成周向磁化場(chǎng)，磁化輪轂軸承旋壓面，該磁化器結(jié)構(gòu)如圖4所示。兩磁極之間的距離為d1，旋壓面與極靴導(dǎo)套之間的距離為d2，其中d1＝15 mm，d2＝1.5 mm。

圖4 包絡(luò)旋壓面的磁化器Fig.4 Magnetizer of enveloping spinning surface

兩磁化線圈匝數(shù)各為100，通入4 A直流電，有限元法計(jì)算得到旋壓面磁力線的走向如圖5所示。從圖中可以看出：磁力線通過(guò)極靴導(dǎo)套集中到旋壓面上；在兩磁極間，磁力線與輪轂軸承徑向垂直；在兩磁極對(duì)稱中心截面上，磁場(chǎng)的立面分布云圖如圖6所示，在探傷的局部圓環(huán)區(qū)域形成了均勻勵(lì)磁場(chǎng)。

圖5 旋壓面磁力線走向Fig.5 Trend of magnetic field lines on spinning surface

圖6 中心立面上磁場(chǎng)的分布云圖Fig.6 Distribution contours of magnetic field on center facade

不同規(guī)格輪轂軸承旋壓面的幾何形狀不同，且同一條生產(chǎn)線上可能生產(chǎn)多種規(guī)格的輪轂軸承，因此，磁化器設(shè)計(jì)成U形磁軛與極靴導(dǎo)套分離的2部分，通過(guò)更換極靴導(dǎo)套，可解決多規(guī)格的適應(yīng)性問(wèn)題。

1.2.2 漏磁檢測(cè)探頭陣列

輪轂軸承旋壓面上的探測(cè)裂紋深度淺、寬度窄，在產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證中通常將裂紋深度大于0.1 mm的產(chǎn)品判定為不合格品。微裂紋形成的漏磁場(chǎng)微弱，同時(shí)隨提離值的增大衰減劇烈。感應(yīng)線圈、霍爾元件的測(cè)點(diǎn)提離值大；磁阻磁頭、巨磁阻磁頭在強(qiáng)背景磁場(chǎng)下會(huì)飽和。因此，采用微小磁頭拾取旋壓面微弱漏磁場(chǎng)。

為保證每個(gè)磁頭的檢測(cè)位置穩(wěn)定可靠，將磁頭封裝在探頭靴內(nèi)部，探頭靴弧面與旋壓曲面包絡(luò)嚙合，如圖7所示。合格的旋壓面幾何形狀誤差應(yīng)小于0.6 mm，每個(gè)磁頭背面安裝獨(dú)立的浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，確保每個(gè)磁頭與旋壓面緊密貼合。在探頭靴上加工不同方位的方形滑槽，使磁頭浮動(dòng)時(shí)磁頭位置也保持在旋壓面法向方向上。

圖7 微小磁頭Fig.7 Tiny magnetic heads

檢測(cè)中，每個(gè)磁頭掃查旋壓面的一段周向回旋環(huán)面，陣列磁頭覆蓋全部探測(cè)面。在探頭靴的兩側(cè)分別布置交錯(cuò)的磁頭，消除陣列磁頭間的間隙漏檢。

2 自動(dòng)化漏磁探傷裝置

輪轂軸承自動(dòng)化漏磁探傷裝置可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輸料檢測(cè)、探傷數(shù)據(jù)分析和廢品剔除3個(gè)功能。探傷后軸承剩磁應(yīng)低于4 Gs，因此需增加退磁工位。自動(dòng)化輪轂軸承漏磁探傷裝置如圖8所示，檢測(cè)工位采用探頭靜止不動(dòng)、軸承周向旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)探頭全覆蓋掃查，共分為進(jìn)料、檢測(cè)、分料、出料4個(gè)工位，退磁安排在分料工位后。

圖8 輪轂軸承漏磁探傷主機(jī)Fig.8 Magnetic leakage flux inspection host for hub bearing

2.1 自動(dòng)化輸料檢測(cè)平臺(tái)

在進(jìn)料位置，采用與輪轂軸承大凸緣配合的圓弧面實(shí)施定位，利用磁化器電磁力實(shí)施抓取，將軸承吸附到磁化器上，通過(guò)豎直氣缸帶動(dòng)軸承上移，翻越定位擋圈。第1級(jí)平移氣缸帶動(dòng)軸承停留在檢測(cè)工位，此時(shí)軸承與磁化器通過(guò)端面定位凸緣保持同心，在軸承下方布置驅(qū)動(dòng)撥桿，帶動(dòng)輪轂軸承自帶螺栓驅(qū)動(dòng)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探頭相對(duì)旋壓面的周向掃查。使用撥桿驅(qū)動(dòng)軸承不需要保證撥桿與軸承同心，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中定位凸緣始終與軸承外圈配合，降低了裝配和機(jī)加工難度。在退磁線圈上安裝推料撥桿，在退磁氣缸移動(dòng)過(guò)程中同步將軸承推送至下一工位。

檢測(cè)流程如圖9所示，初始位置氣缸均處于收回狀態(tài)。第1級(jí)平移氣缸與勵(lì)磁裝置連接，橫移氣缸缸體與退磁裝置連接。第2級(jí)平移氣缸同時(shí)伸出，勵(lì)磁線圈和退磁線圈分別到達(dá)進(jìn)料工位和廢品工位；2個(gè)豎直氣缸同時(shí)伸出，勵(lì)磁器和退磁器下降到軸承端面位置；對(duì)勵(lì)磁線圈和退磁線圈通電，利用電磁力將軸承吸附到勵(lì)磁器上，退磁器開(kāi)始工作；收回勵(lì)磁器豎直氣缸和第1級(jí)平移氣缸，帶動(dòng)輪轂軸承到檢測(cè)工位，撥桿電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始檢測(cè)；檢測(cè)完畢，第2級(jí)平移氣缸收回，通過(guò)退磁線圈上的撥桿帶動(dòng)輪轂軸承運(yùn)動(dòng)到出料工位；勵(lì)磁器豎直氣缸伸出，勵(lì)磁器斷電，電磁力消失，軸承脫離勵(lì)磁器；2個(gè)豎直氣缸同時(shí)收回到初始位置；根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判定被檢樣品是否合格，若為不合格品，廢品氣缸動(dòng)作，通過(guò)撥桿帶動(dòng)輪轂軸承進(jìn)入廢品通道，若為合格品，等待退磁器退磁并進(jìn)入出料通道。

圖9 檢測(cè)流程示意圖Fig.9 Flow chart of detection

該裝置實(shí)現(xiàn)了探傷運(yùn)動(dòng)一體化，勵(lì)磁器通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)將輪轂軸承旋壓面磁化飽和，并利用電磁力實(shí)施抓取，在平移過(guò)程中實(shí)現(xiàn)軸承工位轉(zhuǎn)換，利用勵(lì)磁線圈通、斷電實(shí)現(xiàn)軸承取料與放料。在退磁線圈側(cè)面安裝撥料桿，輪轂軸承在廢品工位和出料工位，退磁線圈均保持工作狀態(tài)，退磁時(shí)間長(zhǎng)，退磁效果好。檢測(cè)工位撥桿電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 60 r／min，檢測(cè)時(shí)間為 3 s，軸承工位轉(zhuǎn)換和檢測(cè)過(guò)程總時(shí)間為12 s。第3代輪轂軸承手動(dòng)生產(chǎn)線裝配單個(gè)軸承時(shí)間為15 s，裝配節(jié)拍約為25 s。

2.2 探傷數(shù)據(jù)分析

使用人工刻槽樣件、自然缺陷樣品、微小磕傷樣品以及體積型損傷樣件進(jìn)行試驗(yàn)，其中，旋鉚頭異常工作時(shí)，會(huì)使零件部分材料粘接在旋鉚頭上，造成體積損傷。各個(gè)樣品如圖10所示，人工刻槽深0.05 mm、寬0.20 mm；自然缺陷樣品為旋壓過(guò)程中產(chǎn)生的廢品；自然裂紋深度大于人工刻槽深度；微小磕傷和體積型損傷深度淺，使用10倍放大鏡方可觀測(cè)。由于內(nèi)部、旋壓背面缺陷難以觀察，無(wú)法獲得相應(yīng)圖片，因此，未對(duì)材料內(nèi)部、旋壓背面缺陷的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖10 樣品及缺陷Fig.10 Samples and defects

調(diào)整軟件增益，得到的檢測(cè)信號(hào)如圖11所示，圖中實(shí)線為報(bào)警門(mén)限。輪轂軸承旋轉(zhuǎn)4周，檢測(cè)系統(tǒng)得到了4次異常波形。從檢測(cè)波形中可以看出，自然缺陷檢測(cè)信號(hào)的峰峰值最大，人工刻槽檢測(cè)信號(hào)的峰峰值次之，微小磕傷及體積損傷檢測(cè)信號(hào)峰峰值最小，檢測(cè)信號(hào)峰峰值與缺陷大小之間一一對(duì)應(yīng)，說(shuō)明檢測(cè)信號(hào)可以較好地反應(yīng)輪轂軸承旋壓面的缺陷大小。

圖11 樣品測(cè)試信號(hào)Fig.11 Test signals of sample

旋鉚機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，易導(dǎo)致旋壓面表面粗糙度值增大，此時(shí)檢測(cè)信號(hào)雖未超過(guò)報(bào)警門(mén)限，但其基波較大（圖12），檢測(cè)信號(hào)能較好的反應(yīng)旋壓表面質(zhì)量狀況。采用高靈敏度微型磁頭能夠拾取到微小缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)，達(dá)到快速、準(zhǔn)確地探傷目的，用戶可根據(jù)檢測(cè)信號(hào)提示，及時(shí)維護(hù)旋鉚機(jī)，消除安全隱患。

圖12 旋鉚頭異常檢測(cè)信號(hào)Fig.12 Abnormal detection signal of rotary riveting head

2.3 廢品剔除

為滿足輪轂軸承旋壓面自動(dòng)化漏磁探傷的需求，應(yīng)通過(guò)軟件自動(dòng)分析漏磁探傷信號(hào)，將不合格品剔除。本裝置通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)缺陷（深0.05 mm、寬0.20 mm）漏磁檢測(cè)信號(hào)，采用信號(hào)增益軟件結(jié)合門(mén)限設(shè)定對(duì)檢測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行判定，即調(diào)整增益使得標(biāo)準(zhǔn)件漏磁檢測(cè)信號(hào)峰值為3 V，設(shè)定報(bào)警門(mén)限為2 V。檢測(cè)過(guò)程將漏磁檢測(cè)信號(hào)峰值高于報(bào)警門(mén)限的產(chǎn)品判定為不合格品，并驅(qū)動(dòng)廢品氣缸動(dòng)作，將不合格品推至廢品料道，合格品退磁后自動(dòng)進(jìn)入下一工序。

3 結(jié)束語(yǔ)

使用漏磁法對(duì)輪轂軸承旋壓面進(jìn)行檢測(cè)，使用周向磁化法在旋壓面缺陷位置形成漏磁場(chǎng)，通過(guò)單點(diǎn)浮動(dòng)陣列組合精密磁頭拾取旋壓面微弱漏磁場(chǎng)信息，結(jié)合探傷運(yùn)動(dòng)一體化平臺(tái)，通過(guò)軟件門(mén)限設(shè)定、判定被檢產(chǎn)品是否合格，自動(dòng)化剔除有缺陷的產(chǎn)品。該漏磁檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高、運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定可靠，對(duì)保障輪轂軸承質(zhì)量具有重要意義。