在鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)的生產過(guo)程(cheng)中(zhong)會產生裂紋(wen)(wen)、夾雜和分層等缺(que)陷(xian)而(er)影響鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)質(zhi)量(liang)，其中(zhong)，鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)的表面縱向(xiang)(xiang)裂紋(wen)(wen)約(yue)占所有缺(que)陷(xian)的70％。針對(dui)鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)的實際缺(que)陷(xian)類型，一般(ban)采用(yong)復合檢(jian)測(ce)的方(fang)法對(dui)其質(zhi)量(liang)狀況進行綜合評定(ding)，如超聲法主要檢(jian)測(ce)鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)的內(nei)部縱向(xiang)(xiang)裂紋(wen)(wen)、漏(lou)磁(ci)法主要檢(jian)測(ce)鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)(bang)的表面軸向(xiang)(xiang)裂紋(wen)(wen)。
鋼棒(bang)(bang)軸向裂紋將嚴重影響產品(pin)質(zhi)量，生(sheng)產過程中有(you)效檢出鋼棒(bang)(bang)中的軸向裂紋特別(bie)是微(wei)裂紋尤為必要。對于表(biao)面(mian)精(jing)拔加工的軸承生(sheng)產用鋼棒(bang)(bang)，采(cai)用交(jiao)流(liu)漏磁(ci)檢測能(neng)夠有(you)效探測微(wei)小裂紋。針(zhen)對鋼棒(bang)(bang)表(biao)面(mian)軸向裂紋，直流(liu)磁(ci)化(hua)漏磁(ci)檢測一般難以適(shi)用。
這里(li)，介(jie)紹(shao)一(yi)種基于(yu)鋼(gang)棒(bang)螺(luo)旋運動、探頭固定的鋼(gang)棒(bang)縱向裂紋(wen)(wen)自動檢測方法與裝置。采用(yong)C形局部(bu)交流磁化(hua)器對鋼(gang)棒(bang)進(jin)行勵(li)磁，并采用(yong)相應(ying)的陣列傳感器來拾取裂紋(wen)(wen)漏(lou)磁信號，最后通過計算機處理系統實(shi)施定量(liang)化(hua)檢測與評估，獲得穩定的檢測靈敏度，具有廣泛的應(ying)用(yong)價值。
一、檢測原理(li)
漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測方法(fa)分為(wei)(wei)直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)漏(lou)(lou)磁(ci)和(he)(he)交(jiao)流(liu)(liu)漏(lou)(lou)磁(ci)，圖7-26所示為(wei)(wei)鋼(gang)(gang)(gang)管和(he)(he)鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)周向(xiang)直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)磁(ci)化(hua)時磁(ci)場(chang)(chang)分布對比(bi)。由圖可知，鋼(gang)(gang)(gang)管易被磁(ci)化(hua)至飽和(he)(he)狀態，缺(que)陷(xian)漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)(chang)比(bi)較大；而(er)鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)磁(ci)化(hua)時，由于為(wei)(wei)實心，磁(ci)力線(xian)沒有(you)(you)環繞至鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)表(biao)(biao)面，而(er)直(zhi)(zhi)接穿過鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)中心，表(biao)(biao)面縱向(xiang)裂(lie)(lie)紋(wen)幾乎沒有(you)(you)漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)(chang)泄漏(lou)(lou)，為(wei)(wei)此，類似鋼(gang)(gang)(gang)管軸向(xiang)裂(lie)(lie)紋(wen)的直(zhi)(zhi)流(liu)(liu)漏(lou)(lou)磁(ci)方法(fa)難以(yi)在(zai)鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)上實施。由于趨膚(fu)效應，交(jiao)流(liu)(liu)磁(ci)場(chang)(chang)集(ji)中于工件(jian)表(biao)(biao)面，對表(biao)(biao)面軸向(xiang)裂(lie)(lie)紋(wen)的檢(jian)測將更為(wei)(wei)敏感，所以(yi)，鋼(gang)(gang)(gang)棒(bang)軸向(xiang)裂(lie)(lie)紋(wen)的檢(jian)測宜采用交(jiao)流(liu)(liu)漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測方法(fa)。
常(chang)用(yong)的交流漏磁(ci)(ci)磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)有穿(chuan)過式線(xian)(xian)圈磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)和局(ju)(ju)部磁(ci)(ci)軛(e)(e)式磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)，用(yong)于縱(zong)向裂(lie)紋(wen)檢(jian)測的僅(jin)能采用(yong)后者。圖7-27所示(shi)為采用(yong)局(ju)(ju)部磁(ci)(ci)軛(e)(e)式磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)的鋼棒交流漏磁(ci)(ci)檢(jian)測原(yuan)理圖。磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)由C形高導磁(ci)(ci)材(cai)料和勵(li)(li)磁(ci)(ci)線(xian)(xian)圈組成(cheng)，其中(zhong)(zhong)勵(li)(li)磁(ci)(ci)線(xian)(xian)圈環繞制(zhi)在C形高導磁(ci)(ci)材(cai)料上，勵(li)(li)磁(ci)(ci)線(xian)(xian)圈中(zhong)(zhong)施加一定(ding)頻率的交流電流。檢(jian)測元件與(yu)磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)一起與(yu)鋼棒形成(cheng)相對螺旋(xuan)運動，當檢(jian)測元件掃(sao)查(cha)至(zhi)裂(lie)紋(wen)區域時可獲得(de)裂(lie)紋(wen)信號(hao)。
二(er)、整體方案
鋼棒交流漏磁(ci)(ci)檢測系(xi)統方(fang)案如圖7-28所示。檢測單元由交流漏磁(ci)(ci)磁(ci)(ci)化器(qi)和陣列(lie)傳感器(qi)組成；信(xin)號處(chu)理過(guo)程中，檢測中缺(que)陷(xian)處(chu)的交流漏磁(ci)(ci)場(chang)與交流激勵(li)場(chang)相疊加，為調制(zhi)信(xin)號，因(yin)此需要(yao)對(dui)信(xin)號進行(xing)解(jie)調處(chu)理，濾除(chu)原交流勵(li)磁(ci)(ci)信(xin)號，保留裂紋信(xin)號，然(ran)后再(zai)進行(xing)放大(da)濾波處(chu)理。
為實(shi)現(xian)鋼(gang)棒縱向裂紋的(de)全覆蓋自動化檢(jian)測(ce)(ce)，檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭需要(yao)在(zai)鋼(gang)棒表面形成螺旋線掃查路(lu)徑。目前，主要(yao)有(you)兩(liang)種實(shi)現(xian)方式(shi)：①檢(jian)測(ce)(ce)單元靜(jing)止，鋼(gang)棒做(zuo)螺旋推進運(yun)動；②檢(jian)測(ce)(ce)單元旋轉，鋼(gang)棒做(zuo)直線運(yun)動。第二種多出(chu)現(xian)在(zai)進口的(de)檢(jian)測(ce)(ce)設備中(zhong)，旋轉機構(gou)(gou)包括周(zhou)向磁化器、檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)靴、集(ji)電環、初步調理電路(lu)等，結構(gou)(gou)龐大(da)、價格昂(ang)貴。相比之下(xia)，采用第一種運(yun)動方式(shi)可避免主機的(de)回(hui)轉運(yun)動，使(shi)系(xi)統結構(gou)(gou)得(de)到大(da)大(da)簡(jian)化，檢(jian)測(ce)(ce)成本低。這里采用基于(yu)鋼(gang)棒螺旋推進的(de)運(yun)動方式(shi)。
三、檢(jian)測(ce)探頭
軸(zhou)向(xiang)裂(lie)紋檢測應具備兩(liang)大要(yao)素：一是外加磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)方(fang)向(xiang)應最大限度地與軸(zhou)向(xiang)裂(lie)紋垂直，以激勵出最大強度的漏磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)；二是磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)測量(liang)單(dan)元應該具有足(zu)夠的靈(ling)敏度。
1. 交(jiao)流(liu)漏磁(ci)磁(ci)化器
鋼棒直徑越小，軸(zhou)向(xiang)裂紋的檢(jian)測穩定(ding)性越難(nan)以保證。圖(tu)7-29所(suo)示為C形磁化器(qi)檢(jian)測狀態圖(tu)。
該方案(an)有如下優點(dian)：
a. 經過鋼棒(bang)的有效主磁(ci)通更(geng)大，并且能保證磁(ci)場(chang)方向(xiang)同軸(zhou)向(xiang)裂紋(wen)(wen)正交(jiao)，裂紋(wen)(wen)漏磁(ci)場(chang)更(geng)大。
磁(ci)(ci)化器所產生的(de)(de)磁(ci)(ci)通(tong)(tong)(tong)路(lu)徑有(you)兩(liang)條：一是經過(guo)鋼棒(bang)的(de)(de)主磁(ci)(ci)通(tong)(tong)(tong)，二是不經過(guo)鋼棒(bang)的(de)(de)漏磁(ci)(ci)Φ通(tong)(tong)(tong)，即在(zai)磁(ci)(ci)化器兩(liang)極(ji)之間傳(chuan)遞(di)的(de)(de)磁(ci)(ci)通(tong)(tong)(tong)。故在(zai)磁(ci)(ci)路(lu)內的(de)(de)總磁(ci)(ci)通(tong)(tong)(tong)為
Φo=Φs+Φ, (7-1)
常(chang)規交(jiao)流漏磁(ci)檢測一般使用U型磁(ci)軛，磁(ci)極(ji)平面一般與鋼(gang)棒表面相切。本(ben)方案的C形磁(ci)極(ji)用弧(hu)面與鋼(gang)棒表面貼合，氣(qi)隙漏磁(ci)通量(liang)少，有效(xiao)增大(da)進入鋼(gang)棒的主磁(ci)通量(liang)。
b. 對(dui)(dui)于小(xiao)規格鋼(gang)棒，磁(ci)(ci)極與鋼(gang)棒表面貼合(he)不好，會使傳感(gan)器檢測區(qu)域偏離磁(ci)(ci)化中心區(qu)，對(dui)(dui)信號產生(sheng)干擾(rao)(rao)。在自動化檢測中，這種動態偏離將引(yin)起較大的干擾(rao)(rao)，降低檢測信噪比(bi)和靈敏度。C形(xing)磁(ci)(ci)化器及(ji)其磁(ci)(ci)極實現了較好的對(dui)(dui)中，檢測信號穩定(ding)，振動干擾(rao)(rao)小(xiao)。
在(zai)檢測不同直徑(jing)的(de)鋼(gang)棒(bang)時，鋼(gang)棒(bang)中心(xin)高會(hui)發生變(bian)(bian)化(hua)(hua)，浮動對中機構可(ke)良好地實(shi)(shi)現探頭跟蹤(zong)，減(jian)少干擾噪聲。利用滑(hua)軌滑(hua)塊機構可(ke)實(shi)(shi)現檢測探頭裝置的(de)整體上下移動，以(yi)適應鋼(gang)棒(bang)的(de)中心(xin)高變(bian)(bian)化(hua)(hua)。氣(qi)缸可(ke)使(shi)檢測單(dan)元在(zai)鋼(gang)棒(bang)螺旋前進過程中緊密貼合鋼(gang)棒(bang)，避(bi)免提離值的(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)對檢測信號(hao)的(de)影響，如圖7-30所(suo)示。
2. 陣列傳感器
為提高(gao)檢測(ce)速(su)(su)度(du)并滿足(zu)全(quan)覆(fu)蓋一致性(xing)檢測(ce)，傳感器設計成陣列式(shi)，以增加(jia)探頭軸(zhou)向覆(fu)蓋范圍，防止缺陷漏檢。鋼(gang)棒螺旋(xuan)前進的(de)螺距一般稍小(xiao)于(yu)探頭軸(zhou)向覆(fu)蓋范圍，鋼(gang)棒運行螺距越大，系統檢測(ce)速(su)(su)度(du)越高(gao)。
由于(yu)檢(jian)測過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)會出現多種機械電氣干擾(rao)而(er)形成背(bei)景噪聲，將傳(chuan)感器單(dan)元設計(ji)為(wei)差(cha)分(fen)式結(jie)構來消除部分(fen)干擾(rao)信號(hao)。如圖7-31所(suo)示，檢(jian)測單(dan)元由扁平線(xian)圈及聚磁鐵心(xin)組成，虛(xu)線(xian)框(kuang)為(wei)一個差(cha)分(fen)單(dan)元。探頭(tou)耐磨(mo)層采(cai)用(yong)(yong)陶(tao)瓷片(pian)，實踐證明具有很好的(de)耐磨(mo)效果(guo)，在具體應用(yong)(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)只需定期更換陶(tao)瓷片(pian)，即可延長探頭(tou)的(de)使用(yong)(yong)壽命。
四、現場應用
鋼棒(bang)軸(zhou)(zhou)向裂紋自動檢(jian)(jian)測(ce)(ce)裝置(zhi)如圖7-32所示，系統(tong)由信號勵磁源、計算機(ji)、采集卡、信號處理電路、輔機(ji)裝置(zhi)和檢(jian)(jian)測(ce)(ce)單元等組成。圖中(zhong)所示裝置(zhi)僅用(yong)了1個(ge)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)單元，其軸(zhou)(zhou)向覆(fu)蓋范圍為50mm，調節輥道的(de)擺(bai)角，使(shi)ф24mm鋼棒(bang)行駛(shi)螺距小于50mm。當檢(jian)(jian)測(ce)(ce)單元增加(jia)到(dao)8個(ge)時，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)螺距達(da)到(dao)500mm，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)直線速度可(ke)提(ti)升到(dao)60m／min。
待檢鋼棒如圖7-33所(suo)示，表面共有四(si)個軸向裂紋(wen)，長均為40mm，寬均為0.2mm，裂紋(wen)深(shen)依次為0.30mm、0.15mm、0.25mm和0.30mm。
對(dui)鋼(gang)棒(bang)表面(mian)進行自(zi)動(dong)化檢測，所得信號如(ru)圖(tu)7-34所示(shi)。由檢測信號可(ke)知(zhi)，該裝置對(dui)表面(mian)不同深度的(de)軸(zhou)向裂紋有穩定可(ke)靠的(de)檢測能(neng)力，且信噪比較好。
交流(liu)漏磁(ci)法對鋼棒(bang)表面軸(zhou)向裂紋(wen)(wen)具有較高的(de)檢(jian)測(ce)靈敏度。局部磁(ci)軛(e)磁(ci)化(hua)器(qi)易與(yu)陣(zhen)列(lie)傳(chuan)感器(qi)實現(xian)一體(ti)化(hua)，采用C形局部磁(ci)化(hua)器(qi)和(he)陣(zhen)列(lie)傳(chuan)感器(qi)設計(ji)，使得檢(jian)測(ce)結構更簡單、小型化(hua)，有利于(yu)自(zi)動化(hua)檢(jian)測(ce)的(de)實施。該系統裂紋(wen)(wen)檢(jian)測(ce)深度最淺可(ke)達0.15mm，檢(jian)測(ce)速度可(ke)達60m／min，滿足(zu)鋼棒(bang)自(zi)動化(hua)檢(jian)測(ce)需求(qiu)。
