2014年汽車工業經濟運行情況數據顯示，2014年我國(guo)累計生產汽車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的必(bi)備零(ling)部件，按照平均1輛汽車使用4個輪轂軸承來估(gu)算，2014年全國(guo)消(xiao)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(pang)大，這也為輪轂軸承相關配套(tao)產業帶來了很大商機。
輪轂軸承單元汽車結(jie)構中，除了要具備軸承應有的支承旋轉(zhuan)軸的作用外，還肩負著(zhou)保證底盤的結(jie)構強度及剛度等任務。當輪轂軸承發生早期失效時，輪轂軸承的振動和噪(zao)聲將明顯增強，結(jie)果(guo)就(jiu)是汽車行駛過程中會有強烈的震顫感，並且有較大的噪(zao)聲產生。而在目前(qian)廣泛使用的第三代汽車輪轂軸承中，存(cun)在失效風險的重要部位之一是輪轂軸承的旋壓麵。由於旋壓成形麵的作用是保證軸承內外圈的緊密連接，因此一旦旋壓麵出現斷(duan)裂(lie)事故，將導致軸承的內外圈分離，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，及時準確地發現輪轂軸承旋壓麵上的裂(lie)紋對於車輛行駛安全性具有十分重要的意義(yi)。一方麵，汽車輪轂軸承的旋壓麵對軸承的結(jie)構強度十分重要；另一方麵，從公開的資料看，國(guo)內目前(qian)尚無適用於輪轂軸承旋壓麵無損檢測的專業設備。為此，介紹一套(tao)專用於汽車輪轂軸承旋壓麵無損檢測的設備。
一、磁化裝置
磁化在漏(lou)磁檢測中是實現檢測的第一步，這一步驟決定著(zhou)被檢測對象能否產生出可被檢測和可被分辨的磁場信號，同時也左(zuo)右(you)了檢測信號的性能特性和檢測裝置的結(jie)構特性。
磁化裝置在漏(lou)磁檢測係統中的主要作用是對工件施加適當磁場，與缺陷相互(hu)作用後產生漏(lou)磁場。這個施加的磁場應當滿足(zu)以下條件：磁場需要足(zu)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係；磁場必(bi)須足(zu)夠強，從而可以在缺陷處產生一個可被測量的漏(lou)磁場；檢測範圍的磁場幅度必(bi)須相同，以保證檢測範圍內的相同尺寸缺陷產生的信號幅值(zhi)相同。其中，設計磁化器時，首先要保證能夠產生足(zu)夠強度的漏(lou)磁場，其次應當考慮減小磁化器的尺寸和質量，以節約成本並簡化設備的結(jie)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，且能夠通過調節勵磁電流的大小方便地調整(zheng)勵磁強度，能夠把(ba)工件有效飽和磁化。交(jiao)流磁化具有趨膚(fu)效應，它(ta)的檢測深度與磁化電流的頻率密切相關，無法激發工件內部或內壁缺陷的漏(lou)磁場，不過它(ta)對工件表麵的缺陷具有很好的靈敏度。永磁磁化法作為勵磁磁源時，它(ta)的效果(guo)相當於固定電流值(zhi)的直流磁化。
磁化方法按照磁化的形態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(zhi)將工件置於一個或者多個磁化線圈的軸線上，使磁力(li)線經過工件內部及外部空氣後形成一個完(wan)整(zheng)的磁化回路，其優點是結(jie)構十分簡潔(jie)，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(zhi)利(li)用鐵磁性的磁軛結(jie)合工件的形狀搭(da)建一個理想(xiang)的磁化回路完(wan)成磁化任務，其優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。基(ji)於輪轂軸承旋壓麵空間狹(xia)小且與其他部件相連的結(jie)構特點，磁軛磁化的方法顯然更能適應其複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(ji)本形狀。根據鋼管軸向裂(lie)紋磁化的思路，對於旋壓麵的徑(jing)向裂(lie)紋，初步設計了兩種基(ji)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麵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相同的情況下，圖7-35a所示方案會在圖中所示的狹(xia)窄區形成一片(pian)磁場較強的區域，但另一側的磁場相對來說會明顯偏(pian)弱，而圖7-35b所示方案雖然沒有這種聚(ju)焦(jiao)效應，但其優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，則探頭隻能布置在圖中磁場強的位置，如果(guo)兩側都布置探頭，則會出現檢測靈敏度差異。由於旋壓麵區域本就(jiu)空間狹(xia)小，為了能夠充分利(li)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被磁化工件內部的理想(xiang)磁化強度，推導出理想(xiang)的直流磁化線圈的規(gui)格(ge)和通電電流的選擇(ze)，兩者綜合起來就(jiu)是線圈的安匝數。
圖7-36a所示為初步設計的徑(jing)向裂(lie)紋磁化器模型。其中為了簡化計算，將輪轂軸承旋壓麵從軸承整(zheng)體中分離出來，輪轂軸承的其他部分對磁化的影(ying)響將在基(ji)本計算結(jie)束(shu)後予以修(xiu)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），Riron為左(zuo)半(ban)邊磁軛的磁阻，R'iro為iron右(you)半(ban)邊磁軛的磁阻，Rair為圖7-36a中空氣隙的磁阻，Rhub為輪轂軸承旋壓麵的磁阻，Φ為m幹路磁通，Φair為通過空氣隙的磁通，Φhub為通過軸承旋壓麵的磁通。圖7-37所示為標準軸承鋼GCr15的磁化特性曲線。
取飽和區的磁場強度H=12000A/m作為工件內部目標磁場強度，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(ji)本參數見表7-3。
輪轂軸承旋壓麵的橫截麵積，由此可以算得，基(ji)於這一結(jie)果(guo)，根據磁阻計算公式推導得到表7-4中的參數。
最後算得（安匝）。這是初步計算得到的結(jie)果(guo)，上述(shu)計算是基(ji)於旋壓麵從輪轂軸承整(zheng)體中分離出來後的簡化模型，而實際上旋壓麵是輪轂軸承內圈的一部分，且旋壓麵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。根據經驗，將計算結(jie)果(guo)得到的安匝數乘(cheng)以2之後可以完(wan)全保證達到預計的磁化強度，最終確定的安匝數為Einal=28m≈700安匝。
c. 磁化器
先是確定線圈的匝數。在上文(wen)的磁路計算中得到的參數依據是安匝數，但並沒有確定具體的線圈匝數。在安匝數一定的條件下，線圈的匝數和勵磁電流成反(fan)比關係。勵磁電流偏(pian)大時，線圈的發熱功率會增大，根據焦(jiao)耳(er)定律，電流的小幅度增大都會導致發熱功率的明顯增加，因而在確定勵磁線圈的匝數時，應當遵(zun)循(xun)的原(yuan)則是：在磁化器體積允許的情況下，盡力(li)增加匝數，從而減小勵磁所需的電流，以控製勵磁線圈的發熱量在安全合理的範圍內。這裏確定的磁化線圈匝數是400匝，勵磁電流小於2A，采用φ1.7mm線徑(jing)的銅線進行繞製。
其次是線圈的散熱問題。緩(huan)解(jie)線圈的發熱問題一般有兩大類措(cuo)施：一類是用熱的良導體（一般是金屬）將線圈發出的熱量分散開來，增加整(zheng)體的散熱麵積；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(wang)往(wang)兩種方法一起使用，采用不鏽鋼外殼來分散磁化線圈的熱量，用風扇(shan)來實現風冷。
按照上述(shu)原(yuan)則製作的磁化器實物(wu)如圖7-38所示。
二、檢測探頭
1. 輪轂軸承旋壓麵檢測分析
a. 輪轂軸承旋壓麵檢測特點
輪轂軸承旋壓麵的檢測與普(pu)通的軸承套(tao)圈檢測存(cun)在著(zhou)顯著的不同。
首先，輪轂軸承旋壓麵的回轉(zhuan)母線為曲線，而普(pu)通的軸承套(tao)圈端麵的回轉(zhuan)母線為直線，因而相對來說，實現對輪轂軸承旋壓麵的全覆蓋(gai)檢測具有較高的難度，軸承旋壓麵的探靴形狀需要契合其回轉(zhuan)麵的特殊(shu)形狀，如圖7-39所示。
其次，輪轂軸承旋壓麵各個部位曲率有很大差別，為了確保每(mei)個傳感器能夠準確有效地貼合旋壓麵，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. 旋壓麵缺陷位置
由於旋壓麵本身形狀較複雜，將其劃分為3個差異比較大的部位，並進行命名，如圖7-40所示。其中，內圓角麵是指(zhi)旋壓麵內側半(ban)徑(jing)為R5mm的圓角部位，這一部位曲率較大；中間平麵是指(zhi)旋壓麵最上端的平台位置，這一部位近似為平麵；外側坡(po)麵為旋壓麵最外側部位，這一部位有一定的弧度，但曲率較小。
c. 旋壓麵缺陷類型
旋壓麵的基(ji)本缺陷類型主要包括裂(lie)紋以及旋壓麵受(shou)到磕碰後留下的麻點凹坑類缺陷，其中又以裂(lie)紋為最主要缺陷，兩種缺陷的示意圖如圖7-41所示。由於缺陷尺寸較小，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(lie)紋的潛(qian)在危害(hai)在於，徑(jing)向裂(lie)紋一旦擴展到一定程度，旋壓麵的整(zheng)體形狀將發生顯著改變，使得輪轂軸承內外圈與滾珠之間無法實現無縫(feng)隙的貼合，從而造成輪轂軸承內外圈的晃動，產生噪(zao)聲並影(ying)響汽車行駛的穩定性。
凹坑的潛(qian)在危害(hai)在於，凹坑如果(guo)擴展到一定程度，旋壓麵有可能部分脫(tuo)落，使得軸承內外圈之間的壓緊力(li)顯著下降，在一定的載荷下可能造成軸承內外圈分離，也就(jiu)是說會造成汽車的車輪與車軸分離，後果(guo)十分嚴重。
2. 探頭
在漏(lou)磁檢測中，探頭主要肩負著(zhou)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(gen)蹤能力(li)來實現，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(ji)本的原(yuan)則是：既要保證傳感器保持最佳檢測姿態，又要盡量減少運動自(zi)由度。
b. 保證一定的提離值(zhi)。設定提離值(zhi)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(zhi)一般由探靴的浮動功能及傳感器在探靴內的等距離封(feng)裝來保證。
c. 保證傳感器對工件的覆蓋(gai)率，實際檢測中往(wang)往(wang)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，實現對被檢測工件的全覆蓋(gai)檢測。
①. 傳感器陣列設計 在輪轂軸承旋壓麵的漏(lou)磁檢測中，首先要選擇(ze)合適的傳感器陣列以保證傳感器對旋壓麵的全覆蓋(gai)。基(ji)本思路是覆蓋(gai)旋壓麵的一條回轉(zhuan)母線，如圖7-42所示，配合回轉(zhuan)掃查運動，即可實現對整(zheng)個旋壓麵的全覆蓋(gai)檢測。
設L為旋壓麵回轉(zhuan)母線的長度，l．為單個磁頭傳感器的覆蓋(gai)寬度，所需傳感器個數為N，若要求傳感器覆蓋(gai)範圍之間有20％的重疊率，則應滿足(zu)下式要求：Nlg≥120%LL。旋壓麵回轉(zhuan)母線的長度L≈12mm，單個磁頭傳感器的覆蓋(gai)寬度，則所需的最少傳感器個數。由於旋壓麵的空間非常狹(xia)小，傳感器密集排列會給探靴製作工藝(yi)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麵兩端的方法，充分利(li)用狹(xia)小的空間。
②. 傳感器浮動跟(gen)蹤 除了實現全覆蓋(gai)檢測，試驗結(jie)果(guo)顯示，磁頭傳感器隨(sui)著(zhou)提離值(zhi)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(mei)個傳感器在檢測過程中始終緊貼旋壓麵，實現最優的檢測效果(guo)。
要保證每(mei)個傳感器對旋壓麵的良好接觸，無法采用常見的整(zheng)體式探靴浮動方案，因為分散式傳感器陣列中的每(mei)個傳感器所覆蓋(gai)的旋壓麵部位的曲率不同，因而各個傳感器與旋壓麵的接觸狀態有很大的差異。要保證每(mei)個傳感器的有效浮動，隻能采用分散式的浮動方案，即為每(mei)個傳感器配備獨立的浮動結(jie)構。
為了實現每(mei)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(na)傳感器的開槽，槽底部放置了微型彈簧(huang)，能夠實現每(mei)個傳感器的獨立浮動，浮動行程達到2mm，由於旋壓麵的形狀精確且表麵潔(jie)淨，這一浮動行程完(wan)全能夠滿足(zu)傳感器緊貼旋壓麵的需求。
探頭芯體裝入探靴殼體，采用膠封(feng)工藝(yi)後即可獲得完(wan)整(zheng)的探頭，如圖7-44所示。
經過測試，探頭與旋壓麵的貼合狀態良好，傳感器的浮動結(jie)構能夠順暢(chang)工作，能夠保證平穩的檢測。探頭貼合狀態示意圖如圖7-45所示。
③. 探頭與磁化器一體化 由於旋壓麵區域空間十分狹(xia)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(xie)調探靴外殼的厚(hou)度與磁化器兩極靴間的距離，將探頭整(zheng)體布置在磁化器兩極靴之間的位置上，加裝固定裝置後，成功地實現探頭與磁化器的一體化，裝置結(jie)構如圖7-46所示。
三、檢測平台
1. 總體方案
輪轂軸承旋壓麵漏(lou)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(ruan)件、分選裝置和退磁裝置組成，總體框架如圖7-47所示。
2. 檢測平台
按照上述(shu)框架，旋壓輪轂軸承漏(lou)磁檢測平台的總體效果(guo)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幹個位置，分別完(wan)成掃查、分選和退磁等工序，因而有必(bi)要布置一個抓(zhua)緊模塊對旋壓軸承進行抓(zhua)取。利(li)用磁軛式磁化器能夠與被磁化工件之間產生很大吸力(li)的特點，直接用磁化器完(wan)成抓(zhua)緊功能。采用這一方法可以使檢測平台更加緊湊簡潔(jie)。一般情況下，磁化器隻需要通以1A的電流就(jiu)可以產生足(zu)以克服軸承重力(li)的吸緊力(li)，而在實際的漏(lou)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(wan)全可以滿足(zu)吸緊力(li)要求。在測試過程中發現，在吸緊時若軸承旋壓麵與磁化器極靴直接接觸，則由於兩者吸力(li)過大而造成接觸麵摩擦力(li)過大，軸承與磁化器之間無法相對轉(zhuan)動，這不符合後續掃查動作的要求，並且在磁化器斷(duan)電之後，由於磁化器極靴在一段時間內剩磁較大，造成軸承無法被立即釋放，給檢測工序的銜接帶來不利(li)影(ying)響。為了消(xiao)除這一不良影(ying)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(ge)開一定距離，避免產生過大摩擦力(li)，同時消(xiao)除磁化器斷(duan)電後極靴剩磁對軸承的影(ying)響。經測試，加裝定位塊後，軸承與磁化器可以實現相對轉(zhuan)動，且磁化器斷(duan)電後軸承被立即釋放，滿足(zu)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用傳感器陣列實現了對旋壓麵回轉(zhuan)母線的覆蓋(gai)，因此掃查機構隻需要為軸承提供一個旋轉(zhuan)運動即可實現對旋壓麵的全覆蓋(gai)掃查。如圖7-50所示，本裝置利(li)用輪轂軸承內圈法蘭上自(zi)帶的螺釘，用電動機（安裝在底板下方）驅動一個旋轉(zhuan)撥杆來為軸承提供旋轉(zhuan)運動。
在對輪轂軸承旋壓麵進行檢測後，若發現有缺陷工件，需要將其及時分選出來，因而緊接著(zhou)掃查模塊布置了分選模塊。分選裝置如圖7-51所示，采用撥杆式分選，由安裝在底板下方的氣缸驅動，分選動作可以將疑(yi)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。水平傳送用於完(wan)成軸承在各個工位之間的轉(zhuan)換，升降傳送用於滿足(zu)具體工位對軸承高度的需要，掃查工位要求軸承處於懸空狀態以保證順暢(chang)旋轉(zhuan)，分選工位和退磁工位則要求軸承放置在底板上。
在整(zheng)個檢測過程中，軸承需要經過上料工位、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(ting)留。實現這一功能有兩種方案：①. 采用絲杠(gong)螺母機構提供水平運動，使用光電感應開關進行位置控製；②. 采用水平布置的串(chuan)聯氣缸提供動力(li)，靠各個氣缸行程的組合來實現位置控製。
對比兩種方案，方案①. 采用電子(zi)方式實現位置控製，方案②. 采用機械式位置控製。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，因此采用後一種方案。
傳送裝置采用一對行程為200mm的氣缸進行串(chuan)聯安裝，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(shu)，為每(mei)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(yi)動至位置B（掃查工位）；氣缸P1和P2同時收縮時，軸承被移(yi)動至位置C（分選工位）。一個周期結(jie)束(shu)後，軸承未(wei)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杆將軸承從位置C推入位置D。氣缸S1和S2用於實現吸緊裝置和退磁裝置的升降，滿足(zu)各工位中對軸承高度的要求。
3. 檢測流程
每(mei)個檢測周期開始時，氣缸P1和P2處於伸展狀態，氣缸S1和S2處於收縮狀態，檢測平台的上料工位放置著(zhou)剛剛被填充進來的待檢測軸承K1，分選工位上放置著(zhou)上一周期已經完(wan)成檢測的軸承K2，這裏假設軸承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(jie)束(shu)後沒有被分選裝置推入回收箱。檢測周期初始狀態如圖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(lou)磁檢測軟(ruan)件啟(qi)動，采集數據並做出有無缺陷的判斷(duan)（這裏假設K1有缺陷，因此係統將其判定為次品）。氣缸S2伸展，退磁器下降與上一周期檢測完(wan)成的軸承K2接觸，退磁器通電，對K2執(zhi)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被退磁器上的撥杆推至下料工位，氣缸S1伸展，磁化器和退磁器斷(duan)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，由於係統將軸承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(yuan)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、現場應用
本檢測設備的驗收標準為實現對0.20mm寬、0.03mm深裂(lie)紋的檢測，為此，製作了刻有0.20mm寬、0.03mm深貫穿式裂(lie)紋的測試樣品進行試驗，如圖7-59所示。
完(wan)成對檢測平台的組裝後，在設備使用現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，該檢測設備在現場對測試樣品的裂(lie)紋能夠準確檢出，信號清晰可辨，加入補償比例後，一致性良好，滿足(zu)輪轂軸承漏(lou)磁檢測要求。
