劉伯承，唐 健，王榮彪，葉文超，康宜華

(華中科技大學(xué)，制造裝備數(shù)字化國(guó)家工程研究中心，湖北武漢 430074)

0 引言

滾子是滾子軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受負(fù)荷的主要元件，同時(shí)也是軸承中最薄弱的零件，其表面質(zhì)量直接影響軸承的精度、性能以及使用壽命。在軸承滾子生產(chǎn)過(guò)程中，由于加工工藝、工人操作等因素，使得滾子表面可能存在裂紋、劃痕等缺陷，會(huì)對(duì)軸承造成嚴(yán)重?fù)p害，因此有必要對(duì)軸承滾子進(jìn)行100%缺陷檢測(cè)[1-2]。

目前軸承滾子的主要檢測(cè)方法有人工檢測(cè)法、磁粉法、渦流法、超聲法、機(jī)器視覺(jué)法等[3-7]。人工目檢法檢測(cè)效率低、強(qiáng)度大，極易造成誤檢和漏檢；磁粉法對(duì)檢測(cè)人員的操作、技術(shù)要求高，檢測(cè)效率低，后續(xù)處理流程復(fù)雜，有污染；渦流法對(duì)檢測(cè)裝置精度要求高，難以檢測(cè)內(nèi)部缺陷；超聲法檢測(cè)速度慢、效率低，存在表面檢測(cè)盲區(qū)，且檢測(cè)時(shí)需要耦合劑，若耦合劑處理不及時(shí)，會(huì)影響后續(xù)工藝進(jìn)程；機(jī)器視覺(jué)法對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求高，滾子表面光滑，易發(fā)生鏡面反射導(dǎo)致成像質(zhì)量差，且無(wú)法檢測(cè)內(nèi)部缺陷。與以上檢測(cè)方法相比，漏磁檢測(cè)具有檢測(cè)效率高、工藝流程簡(jiǎn)單、靈敏度高等特性，能夠有效地檢出裂紋、表面劃傷、凹坑等缺陷[8-10]。

本文將漏磁法應(yīng)用于軸承滾子的表面微細(xì)裂紋檢測(cè)，通過(guò)磁軛式線圈施加周向磁化，檢測(cè)滾子軸向裂紋，提出了一種基于TMR傳感的軸承滾子微細(xì)裂紋漏磁檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)不同直徑軸承滾子的高速、高精自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)。

1 軸承滾子軸向裂紋的漏磁檢測(cè)方法

1.1 滾子結(jié)構(gòu)缺陷特點(diǎn)

軸承滾子結(jié)構(gòu)如圖1所示，呈圓柱形，且曲率半徑小、壁厚。常用材料為GCr15軸承鋼，其B-H曲線如圖2所示。實(shí)際生產(chǎn)資料顯示，軸承滾子缺陷大多是鍛造軋制過(guò)程中產(chǎn)生的表面折疊裂紋或冷拉過(guò)程中形成的表面劃傷等，通常為μm級(jí)的微細(xì)裂紋，且多數(shù)裂紋沿軸向延展[11]，為此，本文主要研究軸向微細(xì)裂紋的檢測(cè)問(wèn)題。

圖1 軸承圖

圖2 GCr15的B-H曲線

1.2 滾子軸向裂紋漏磁檢測(cè)方法

根據(jù)漏磁檢測(cè)原理，滾子軸向裂紋的檢測(cè)需要周向磁場(chǎng)磁化，為此，采用如圖3所示的磁化器磁化滾子，磁極與滾子外側(cè)保持10 mm間隙。

圖3 軸承滾子漏磁檢測(cè)原理圖

對(duì)于不同規(guī)格的滾子，曲率半徑越小時(shí)，“磁短路”現(xiàn)象[12]越嚴(yán)重，導(dǎo)致外表層的磁化強(qiáng)度變?nèi)酰獗韺恿鸭y產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)越小[13]。為了獲得足夠強(qiáng)的裂紋漏磁場(chǎng)，需要增強(qiáng)磁化器的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此，在磁化器空腔內(nèi)放置的磁敏感元件將工作在很強(qiáng)的背景磁場(chǎng)中。

1.3 最優(yōu)的磁化電流

使用CMOSOL有限元仿真軟件對(duì)滾子的磁化效果進(jìn)行仿真分析。對(duì)內(nèi)徑d為20 mm、外徑D為52 mm的滾子建立計(jì)算模型，材料為GCr15，磁化線圈匝數(shù)為600匝。得到6～12 A磁化電流下滾子內(nèi)磁場(chǎng)模分布云圖如圖4所示。在檢測(cè)點(diǎn)P(距離滾子外表面0.1 mm)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流值變化如圖5所示。

圖4 滾子內(nèi)磁場(chǎng)隨磁化電流的變化

圖5 滾子近表磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流值的變化

從圖5可以看出，滾子近表層的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁化電流增加而增大，到12 A后接近飽和磁化。一般取最優(yōu)的磁化電流大于12 A。

在滾子表面設(shè)置寬度b為20 μm、深度分別為15、30、60、100 μm的刻槽，在磁化電流為12 A時(shí)，在滾子表面提離0.1 mm的面上，提取不同深度下的切向漏磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bt如圖6所示。

圖6 隨刻槽深度的變化

2 基于TMR的漏磁場(chǎng)測(cè)量方法

滾子表面微細(xì)裂紋產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)極其微小，需要高靈敏度傳感器拾取。比較各種磁敏傳感器，TMR傳感器的靈敏度以及線性檢測(cè)范圍較為合適[14]。在此，選用TMR2001，封裝體積為3 mm×3 mm×1.5 mm，線性量程在±5 mT范圍內(nèi)。

2.1 偏置磁場(chǎng)調(diào)節(jié)TMR測(cè)磁工作點(diǎn)

在12 A的磁化電流下，測(cè)點(diǎn)位置的背景磁場(chǎng)已有14 mT，超出TMR2001測(cè)量的量程。為此，提出了一種施加偏置磁場(chǎng)的測(cè)量方法，如圖7所示。在TMR傳感器測(cè)點(diǎn)附近施加一個(gè)與背景磁場(chǎng)反向的恒定磁場(chǎng)，使得測(cè)點(diǎn)上的合成磁場(chǎng)在TMR量程范圍內(nèi)變動(dòng)。

圖7 基于磁場(chǎng)偏置的TMR傳感器檢測(cè)原理圖

圖8為施加了14 mT偏置磁場(chǎng)前后測(cè)點(diǎn)上的30 μm深裂紋漏磁場(chǎng)沿圓周上的分布。偏置磁鐵采用永久磁鐵，確保偏置磁場(chǎng)的穩(wěn)定性。其在測(cè)點(diǎn)位置提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度由磁鐵與磁軛在主磁通路上的接觸面積決定，可以采用機(jī)械方式人工或數(shù)控調(diào)整。

圖8 基于磁場(chǎng)偏置的缺陷漏磁信號(hào)

2.2 差分測(cè)磁陣列探頭

TMR2001傳感器體積微小。為了實(shí)現(xiàn)軸承滾子的全覆蓋檢測(cè)，探頭的有效檢測(cè)范圍應(yīng)大于滾子長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)了與被測(cè)外圓對(duì)應(yīng)的仿形陣列差分探頭，以滿(mǎn)足高精、全覆蓋的檢測(cè)需求。仿形陣列差分探頭可采用氣浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)非接觸、近零提離的檢測(cè)。沿圓周相鄰兩個(gè)TMR傳感器差分輸出一個(gè)檢測(cè)通道，結(jié)構(gòu)如圖9所示。采用差分組合形式，能有效消除測(cè)量過(guò)程中的共模噪聲，提高測(cè)量的穩(wěn)定性、信噪比和抗干擾能力。單個(gè)TMR2001的檢測(cè)范圍為5 mm，采用40只TMR2001構(gòu)成兩排線陣探頭，有效檢測(cè)軸向長(zhǎng)度為100 mm。

圖9 TMR雙線陣差分探頭示意圖

3 實(shí)驗(yàn)

對(duì)內(nèi)徑為20 mm、外徑為52 mm的滾子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，樣件如圖10所示。沿軸向的人工刻傷長(zhǎng)度為10 mm、寬度為20 μm、深度為30 μm。

圖10 檢測(cè)工件示意圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖11所示。磁化線圈匝數(shù)為600匝、通電電流為12 A。采用特斯拉計(jì)測(cè)得滾子表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為14.5 mT。此時(shí)，TMR2001工作在圖12中B點(diǎn)的非線性區(qū)域。調(diào)節(jié)永磁偏置磁化器與TMR之間的相對(duì)位置，TMR2001工作于圖12中A點(diǎn)。在此狀態(tài)下測(cè)得上述人工刻傷的信號(hào)如圖13所示，圖中：ΔB為漏磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值；ΔU1為施加了偏置磁場(chǎng)后的電壓峰峰值；ΔU2為未加偏置磁場(chǎng)的電壓峰峰值。

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 TMR2001的響應(yīng)曲線

圖13 30深裂紋漏磁場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)

對(duì)于一定深度的裂紋，施加偏置磁場(chǎng)后，裂紋的檢測(cè)信號(hào)峰峰值基本不變，TMR2001工作在高靈敏度區(qū)域時(shí)，與飽和區(qū)相比，裂紋檢測(cè)信號(hào)峰峰值增大約8.5倍。

保持上述實(shí)驗(yàn)條件不變，對(duì)深度分別為15、60、100 μm的刻傷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。偏置前與偏置后的裂紋信號(hào)峰峰值如圖14所示。輸出信號(hào)峰峰值隨裂紋深度呈線性增加，施加磁場(chǎng)偏置后的輸出信號(hào)幅值明顯增強(qiáng)。

圖14 裂紋信號(hào)峰峰值隨深度的變化

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)軸承滾子微細(xì)裂紋采用漏磁檢測(cè)方法具有可行性。

(2)施加偏置磁場(chǎng)調(diào)節(jié)后可以有效提升高靈敏度TMR傳感器的檢測(cè)性能。