在(zai)鋼(gang)棒的生(sheng)產過程中(zhong)會(hui)產生(sheng)裂紋(wen)、夾雜和分層等缺(que)(que)陷(xian)(xian)而影響鋼(gang)棒質量(liang)，其中(zhong)，鋼(gang)棒的表(biao)面(mian)縱(zong)向(xiang)裂紋(wen)約占所有缺(que)(que)陷(xian)(xian)的70％。針對(dui)鋼(gang)棒的實際缺(que)(que)陷(xian)(xian)類型(xing)，一般采用復合檢測的方法對(dui)其質量(liang)狀況(kuang)進行(xing)綜(zong)合評定，如超聲法主要(yao)檢測鋼(gang)棒的內部縱(zong)向(xiang)裂紋(wen)、漏磁法主要(yao)檢測鋼(gang)棒的表(biao)面(mian)軸向(xiang)裂紋(wen)。
鋼(gang)棒(bang)(bang)軸(zhou)向(xiang)(xiang)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)將嚴(yan)重影響產(chan)(chan)品質量，生產(chan)(chan)過程中有效檢(jian)出鋼(gang)棒(bang)(bang)中的軸(zhou)向(xiang)(xiang)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)特別是微(wei)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)尤為必要。對(dui)于(yu)表面精(jing)拔加(jia)工的軸(zhou)承生產(chan)(chan)用鋼(gang)棒(bang)(bang)，采(cai)用交流(liu)漏磁檢(jian)測(ce)能夠(gou)有效探測(ce)微(wei)小裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)。針對(dui)鋼(gang)棒(bang)(bang)表面軸(zhou)向(xiang)(xiang)裂(lie)(lie)(lie)(lie)紋(wen)，直流(liu)磁化漏磁檢(jian)測(ce)一般(ban)難以適(shi)用。
這(zhe)里，介紹一種(zhong)基于鋼棒(bang)螺旋運動(dong)(dong)、探頭固定的(de)(de)鋼棒(bang)縱(zong)向裂紋(wen)自(zi)動(dong)(dong)檢(jian)測方法(fa)與裝置。采用C形(xing)局(ju)部交流磁(ci)化(hua)器(qi)對鋼棒(bang)進行勵磁(ci)，并(bing)采用相(xiang)應(ying)(ying)的(de)(de)陣列傳(chuan)感(gan)器(qi)來拾取裂紋(wen)漏磁(ci)信號，最后通過計算機(ji)處理(li)系(xi)統實施定量(liang)化(hua)檢(jian)測與評估，獲(huo)得穩定的(de)(de)檢(jian)測靈(ling)敏度，具(ju)有廣泛的(de)(de)應(ying)(ying)用價值。
一(yi)、檢測原理(li)
漏磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)方(fang)法(fa)分為(wei)(wei)直(zhi)(zhi)流(liu)漏磁(ci)和交流(liu)漏磁(ci)，圖7-26所示為(wei)(wei)鋼管和鋼棒(bang)周向(xiang)直(zhi)(zhi)流(liu)磁(ci)化時(shi)磁(ci)場分布對比。由(you)圖可知，鋼管易被磁(ci)化至飽和狀態，缺陷漏磁(ci)場比較大；而(er)鋼棒(bang)磁(ci)化時(shi)，由(you)于(yu)為(wei)(wei)實心，磁(ci)力線沒(mei)有環繞至鋼棒(bang)表(biao)面(mian)，而(er)直(zhi)(zhi)接(jie)穿過鋼棒(bang)中(zhong)心，表(biao)面(mian)縱向(xiang)裂(lie)紋幾(ji)乎沒(mei)有漏磁(ci)場泄(xie)漏，為(wei)(wei)此，類似鋼管軸向(xiang)裂(lie)紋的(de)直(zhi)(zhi)流(liu)漏磁(ci)方(fang)法(fa)難以在鋼棒(bang)上(shang)實施(shi)。由(you)于(yu)趨膚效應，交流(liu)磁(ci)場集(ji)中(zhong)于(yu)工件表(biao)面(mian)，對表(biao)面(mian)軸向(xiang)裂(lie)紋的(de)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)將更(geng)為(wei)(wei)敏感，所以，鋼棒(bang)軸向(xiang)裂(lie)紋的(de)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)宜(yi)采(cai)用交流(liu)漏磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)方(fang)法(fa)。
常用(yong)的(de)(de)交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)(liu)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器有穿過式(shi)線(xian)圈(quan)(quan)(quan)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器和(he)局部(bu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)軛式(shi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器，用(yong)于(yu)縱向裂紋(wen)檢測的(de)(de)僅能(neng)采用(yong)后(hou)者。圖7-27所示為采用(yong)局部(bu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)軛式(shi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器的(de)(de)鋼(gang)棒交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)(liu)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢測原理圖。磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器由(you)C形高導磁(ci)(ci)(ci)(ci)材料和(he)勵(li)磁(ci)(ci)(ci)(ci)線(xian)圈(quan)(quan)(quan)組成，其中(zhong)勵(li)磁(ci)(ci)(ci)(ci)線(xian)圈(quan)(quan)(quan)環繞制(zhi)在C形高導磁(ci)(ci)(ci)(ci)材料上，勵(li)磁(ci)(ci)(ci)(ci)線(xian)圈(quan)(quan)(quan)中(zhong)施加一定(ding)頻率(lv)的(de)(de)交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)(liu)電流(liu)(liu)(liu)。檢測元(yuan)件與(yu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)器一起與(yu)鋼(gang)棒形成相對螺(luo)旋運動，當檢測元(yuan)件掃查(cha)至裂紋(wen)區域時可獲得裂紋(wen)信(xin)號(hao)。
二、整體方案
鋼棒交(jiao)流(liu)漏(lou)磁檢測(ce)系統(tong)方案如(ru)圖7-28所示。檢測(ce)單(dan)元由交(jiao)流(liu)漏(lou)磁磁化器和(he)陣列(lie)傳感器組成；信號(hao)處(chu)理(li)過程中，檢測(ce)中缺(que)陷(xian)處(chu)的交(jiao)流(liu)漏(lou)磁場與(yu)交(jiao)流(liu)激勵(li)場相疊加，為(wei)調制信號(hao)，因此需要對信號(hao)進行解調處(chu)理(li)，濾(lv)除原交(jiao)流(liu)勵(li)磁信號(hao)，保留裂紋信號(hao)，然后再進行放(fang)大(da)濾(lv)波處(chu)理(li)。
為實現鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)縱向裂紋的全覆蓋自動(dong)(dong)(dong)化檢(jian)測(ce)，檢(jian)測(ce)探頭需要在鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)表面(mian)形成螺旋(xuan)(xuan)線掃查路徑。目前，主要有兩(liang)種(zhong)實現方式：①檢(jian)測(ce)單元靜(jing)止，鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)做螺旋(xuan)(xuan)推(tui)進(jin)運(yun)動(dong)(dong)(dong)；②檢(jian)測(ce)單元旋(xuan)(xuan)轉，鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)做直線運(yun)動(dong)(dong)(dong)。第二種(zhong)多出現在進(jin)口(kou)的檢(jian)測(ce)設(she)備中(zhong)，旋(xuan)(xuan)轉機(ji)構包括周向磁化器、檢(jian)測(ce)探靴、集電環、初步調理電路等，結構龐大、價格昂貴(gui)。相(xiang)比(bi)之下，采(cai)用(yong)第一種(zhong)運(yun)動(dong)(dong)(dong)方式可避免主機(ji)的回轉運(yun)動(dong)(dong)(dong)，使系統結構得(de)到(dao)大大簡化，檢(jian)測(ce)成本低(di)。這里采(cai)用(yong)基于鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)螺旋(xuan)(xuan)推(tui)進(jin)的運(yun)動(dong)(dong)(dong)方式。
三、檢測探頭
軸(zhou)向(xiang)(xiang)裂(lie)(lie)紋(wen)檢測應具備兩大要素：一是外加磁(ci)(ci)場(chang)方向(xiang)(xiang)應最大限(xian)度(du)地與軸(zhou)向(xiang)(xiang)裂(lie)(lie)紋(wen)垂直，以激勵出最大強度(du)的漏磁(ci)(ci)場(chang)；二是磁(ci)(ci)場(chang)測量單元應該(gai)具有(you)足(zu)夠的靈敏(min)度(du)。
1. 交流漏磁(ci)磁(ci)化(hua)器
鋼棒直徑越(yue)小，軸向裂紋的(de)檢(jian)測穩定性越(yue)難以保證。圖7-29所示為C形磁化器檢(jian)測狀態(tai)圖。
該方案(an)有如下優點：
a. 經(jing)過鋼棒的有(you)效主磁(ci)通更大，并且能保證磁(ci)場(chang)方向同軸向裂(lie)紋正交(jiao)，裂(lie)紋漏(lou)磁(ci)場(chang)更大。
磁(ci)化器所產生的(de)磁(ci)通(tong)路徑有兩(liang)條：一是經(jing)過(guo)鋼棒(bang)的(de)主磁(ci)通(tong)，二是不經(jing)過(guo)鋼棒(bang)的(de)漏磁(ci)Φ通(tong)，即在(zai)磁(ci)化器兩(liang)極之間傳遞(di)的(de)磁(ci)通(tong)。故在(zai)磁(ci)路內(nei)的(de)總(zong)磁(ci)通(tong)為
Φo=Φs+Φ, (7-1)
常規交流漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測一般使用U型磁(ci)(ci)(ci)軛(e)，磁(ci)(ci)(ci)極平面(mian)(mian)一般與鋼棒(bang)表面(mian)(mian)相切(qie)。本方案的C形磁(ci)(ci)(ci)極用弧面(mian)(mian)與鋼棒(bang)表面(mian)(mian)貼合(he)，氣(qi)隙(xi)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)通(tong)(tong)量少，有效增(zeng)大(da)進入鋼棒(bang)的主磁(ci)(ci)(ci)通(tong)(tong)量。
b. 對(dui)(dui)(dui)于(yu)小規格鋼(gang)棒，磁(ci)極與(yu)鋼(gang)棒表面(mian)貼(tie)合不(bu)好，會使傳(chuan)感(gan)器檢測區(qu)域偏離磁(ci)化中心區(qu)，對(dui)(dui)(dui)信號產(chan)生干擾(rao)。在自動化檢測中，這(zhe)種(zhong)動態(tai)偏離將引起較大(da)的(de)干擾(rao)，降低檢測信噪(zao)比和靈敏度。C形磁(ci)化器及其磁(ci)極實現了較好的(de)對(dui)(dui)(dui)中，檢測信號穩定(ding)，振(zhen)動干擾(rao)小。
在(zai)(zai)檢(jian)測(ce)不同直徑的(de)鋼(gang)棒(bang)時，鋼(gang)棒(bang)中(zhong)(zhong)心高(gao)會發生變(bian)(bian)化，浮(fu)動對中(zhong)(zhong)機(ji)構(gou)可良好地(di)實現探頭(tou)跟蹤(zong)，減少干(gan)擾(rao)噪(zao)聲(sheng)。利用滑軌滑塊機(ji)構(gou)可實現檢(jian)測(ce)探頭(tou)裝(zhuang)置的(de)整(zheng)體上下移(yi)動，以適應鋼(gang)棒(bang)的(de)中(zhong)(zhong)心高(gao)變(bian)(bian)化。氣(qi)缸可使(shi)檢(jian)測(ce)單元在(zai)(zai)鋼(gang)棒(bang)螺(luo)旋前進過程中(zhong)(zhong)緊密貼合鋼(gang)棒(bang)，避免提離值的(de)變(bian)(bian)化對檢(jian)測(ce)信號的(de)影響，如圖(tu)7-30所(suo)示。
2. 陣列傳感器(qi)
為(wei)提高檢(jian)(jian)測速度(du)并滿(man)足(zu)全覆蓋(gai)一(yi)致(zhi)性(xing)檢(jian)(jian)測，傳(chuan)感器(qi)設計成陣列(lie)式，以增加探(tan)頭軸(zhou)向覆蓋(gai)范圍(wei)，防止缺(que)陷漏(lou)檢(jian)(jian)。鋼棒螺旋(xuan)前(qian)進的螺距一(yi)般稍小(xiao)于探(tan)頭軸(zhou)向覆蓋(gai)范圍(wei)，鋼棒運行螺距越大，系統檢(jian)(jian)測速度(du)越高。
由(you)于檢測過程中會出現(xian)多種機械電(dian)氣干(gan)擾而形成(cheng)背景噪(zao)聲，將傳感器單(dan)(dan)元設(she)計為差(cha)分(fen)式(shi)結構來(lai)消除部分(fen)干(gan)擾信號。如圖7-31所示，檢測單(dan)(dan)元由(you)扁平(ping)線(xian)圈及(ji)聚磁鐵心組(zu)成(cheng)，虛線(xian)框為一個差(cha)分(fen)單(dan)(dan)元。探(tan)頭耐(nai)磨層采用陶瓷片，實踐證明具(ju)有很好的耐(nai)磨效果，在(zai)具(ju)體應用過程中只需定期更換陶瓷片，即可(ke)延(yan)長探(tan)頭的使(shi)用壽命。
四、現場應用
鋼(gang)棒軸向裂紋自動檢測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置如圖7-32所示，系統(tong)由(you)信號(hao)勵磁源、計算機、采(cai)集卡、信號(hao)處(chu)理電路、輔機裝(zhuang)(zhuang)置和檢測(ce)單元等(deng)組成。圖中所示裝(zhuang)(zhuang)置僅(jin)用了1個檢測(ce)單元，其軸向覆蓋范圍為50mm，調(diao)節(jie)輥道(dao)的(de)擺(bai)角，使ф24mm鋼(gang)棒行駛(shi)螺距小于50mm。當檢測(ce)單元增加(jia)到8個時，檢測(ce)螺距達到500mm，檢測(ce)直線速度可提升到60m／min。
待檢鋼棒如圖7-33所示(shi)，表面(mian)共有(you)四個(ge)軸(zhou)向裂紋，長均為40mm，寬均為0.2mm，裂紋深(shen)依次為0.30mm、0.15mm、0.25mm和0.30mm。
對鋼棒表面(mian)進(jin)行(xing)自動化檢(jian)測，所得信號(hao)如圖7-34所示。由檢(jian)測信號(hao)可(ke)知，該裝(zhuang)置對表面(mian)不(bu)同(tong)深度的(de)軸向裂紋有穩定可(ke)靠的(de)檢(jian)測能力，且信噪(zao)比較好。
交流(liu)漏磁法對鋼棒(bang)(bang)表(biao)面軸向裂(lie)(lie)紋具有(you)較高(gao)的檢(jian)測靈(ling)敏(min)度。局(ju)部磁軛磁化器(qi)易與陣(zhen)列傳感器(qi)實現一體化，采(cai)用C形局(ju)部磁化器(qi)和陣(zhen)列傳感器(qi)設計，使得檢(jian)測結構更簡單、小(xiao)型化，有(you)利于自動化檢(jian)測的實施。該系(xi)統(tong)裂(lie)(lie)紋檢(jian)測深(shen)度最淺可(ke)(ke)達(da)0.15mm，檢(jian)測速度可(ke)(ke)達(da)60m／min，滿足(zu)鋼棒(bang)(bang)自動化檢(jian)測需求。
