在鋼(gang)棒(bang)的(de)(de)生產過程中會產生裂紋(wen)、夾(jia)雜(za)和(he)分層等缺(que)陷而(er)影響鋼(gang)棒(bang)質量，其(qi)(qi)中，鋼(gang)棒(bang)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)縱(zong)(zong)向裂紋(wen)約(yue)占所有缺(que)陷的(de)(de)70％。針(zhen)對鋼(gang)棒(bang)的(de)(de)實際(ji)缺(que)陷類型，一(yi)般(ban)采用復合檢測的(de)(de)方法對其(qi)(qi)質量狀況進行綜(zong)合評(ping)定(ding)，如超聲法主要(yao)檢測鋼(gang)棒(bang)的(de)(de)內部縱(zong)(zong)向裂紋(wen)、漏磁法主要(yao)檢測鋼(gang)棒(bang)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)軸(zhou)向裂紋(wen)。
鋼(gang)棒軸(zhou)向裂(lie)紋(wen)將(jiang)嚴重影響產品質量，生(sheng)產過程中(zhong)有效(xiao)檢出鋼(gang)棒中(zhong)的軸(zhou)向裂(lie)紋(wen)特別是微裂(lie)紋(wen)尤為必要。對于表(biao)面精拔加工的軸(zhou)承生(sheng)產用鋼(gang)棒，采用交流漏磁(ci)檢測能夠有效(xiao)探測微小裂(lie)紋(wen)。針對鋼(gang)棒表(biao)面軸(zhou)向裂(lie)紋(wen)，直(zhi)流磁(ci)化漏磁(ci)檢測一般(ban)難(nan)以適(shi)用。
這里(li)，介(jie)紹一種基于鋼棒(bang)螺旋運動、探頭固定的鋼棒(bang)縱向裂紋(wen)自動檢(jian)測方法與裝置。采用C形局部交流磁化器對(dui)鋼棒(bang)進行勵磁，并采用相應的陣列傳(chuan)感器來拾取裂紋(wen)漏磁信號(hao)，最后通過計算機(ji)處理系統實施定量化檢(jian)測與評(ping)估，獲(huo)得穩定的檢(jian)測靈敏度(du)，具(ju)有(you)廣泛的應用價(jia)值(zhi)。
一、檢測(ce)原理
漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)方法(fa)(fa)分為(wei)直(zhi)流(liu)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)和交(jiao)(jiao)流(liu)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)，圖7-26所示(shi)為(wei)鋼管和鋼棒(bang)周(zhou)向直(zhi)流(liu)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)時(shi)磁(ci)(ci)(ci)場分布對比(bi)。由(you)圖可(ke)知，鋼管易被磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)至飽(bao)和狀態，缺陷漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場比(bi)較大(da)；而鋼棒(bang)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)時(shi)，由(you)于(yu)(yu)為(wei)實心(xin)，磁(ci)(ci)(ci)力線沒有環繞(rao)至鋼棒(bang)表(biao)面(mian)，而直(zhi)接穿過鋼棒(bang)中心(xin)，表(biao)面(mian)縱向裂(lie)紋幾(ji)乎沒有漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場泄漏(lou)，為(wei)此(ci)，類似(si)鋼管軸(zhou)(zhou)向裂(lie)紋的(de)直(zhi)流(liu)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)方法(fa)(fa)難以(yi)(yi)在鋼棒(bang)上實施。由(you)于(yu)(yu)趨膚效應，交(jiao)(jiao)流(liu)磁(ci)(ci)(ci)場集中于(yu)(yu)工件表(biao)面(mian)，對表(biao)面(mian)軸(zhou)(zhou)向裂(lie)紋的(de)檢測(ce)將更為(wei)敏感，所以(yi)(yi)，鋼棒(bang)軸(zhou)(zhou)向裂(lie)紋的(de)檢測(ce)宜(yi)采(cai)用(yong)交(jiao)(jiao)流(liu)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)方法(fa)(fa)。
常用的(de)(de)交(jiao)流(liu)漏磁(ci)(ci)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)器(qi)有穿(chuan)過式線圈(quan)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)器(qi)和局部磁(ci)(ci)軛式磁(ci)(ci)化(hua)(hua)器(qi)，用于(yu)縱向裂(lie)紋(wen)檢(jian)測的(de)(de)僅能采(cai)用后者。圖7-27所(suo)示(shi)為采(cai)用局部磁(ci)(ci)軛式磁(ci)(ci)化(hua)(hua)器(qi)的(de)(de)鋼棒(bang)交(jiao)流(liu)漏磁(ci)(ci)檢(jian)測原(yuan)理圖。磁(ci)(ci)化(hua)(hua)器(qi)由C形高導(dao)磁(ci)(ci)材料和勵(li)磁(ci)(ci)線圈(quan)組成，其中勵(li)磁(ci)(ci)線圈(quan)環繞制在C形高導(dao)磁(ci)(ci)材料上，勵(li)磁(ci)(ci)線圈(quan)中施加一定頻(pin)率的(de)(de)交(jiao)流(liu)電流(liu)。檢(jian)測元件與磁(ci)(ci)化(hua)(hua)器(qi)一起(qi)與鋼棒(bang)形成相對螺旋運(yun)動，當檢(jian)測元件掃查(cha)至裂(lie)紋(wen)區(qu)域時(shi)可獲得裂(lie)紋(wen)信號。
二、整體方案(an)
鋼棒交(jiao)流漏(lou)磁(ci)檢測(ce)(ce)系統方案如圖7-28所示。檢測(ce)(ce)單元由交(jiao)流漏(lou)磁(ci)磁(ci)化器和陣列(lie)傳感器組(zu)成；信(xin)號(hao)處理(li)過程(cheng)中，檢測(ce)(ce)中缺陷(xian)處的交(jiao)流漏(lou)磁(ci)場(chang)與交(jiao)流激勵場(chang)相疊加，為調(diao)制信(xin)號(hao)，因(yin)此需要對(dui)信(xin)號(hao)進行解(jie)調(diao)處理(li)，濾除(chu)原交(jiao)流勵磁(ci)信(xin)號(hao)，保(bao)留裂紋信(xin)號(hao)，然后(hou)再進行放(fang)大濾波處理(li)。
為實現鋼棒縱向(xiang)裂紋的(de)(de)全覆(fu)蓋自動(dong)(dong)化(hua)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)，檢(jian)測(ce)(ce)(ce)探(tan)頭(tou)需要在鋼棒表(biao)面形成(cheng)螺(luo)旋(xuan)線掃(sao)查路(lu)徑。目前，主要有兩種實現方(fang)式：①檢(jian)測(ce)(ce)(ce)單元(yuan)靜止，鋼棒做(zuo)螺(luo)旋(xuan)推進運(yun)動(dong)(dong)；②檢(jian)測(ce)(ce)(ce)單元(yuan)旋(xuan)轉(zhuan)，鋼棒做(zuo)直線運(yun)動(dong)(dong)。第二種多(duo)出現在進口(kou)的(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)設備中，旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)構(gou)包括周向(xiang)磁化(hua)器(qi)、檢(jian)測(ce)(ce)(ce)探(tan)靴(xue)、集電(dian)環、初步調(diao)理電(dian)路(lu)等，結構(gou)龐大、價格(ge)昂貴。相(xiang)比之(zhi)下，采(cai)用(yong)第一種運(yun)動(dong)(dong)方(fang)式可避免主機(ji)的(de)(de)回轉(zhuan)運(yun)動(dong)(dong)，使系統結構(gou)得(de)到大大簡化(hua)，檢(jian)測(ce)(ce)(ce)成(cheng)本低(di)。這里采(cai)用(yong)基于鋼棒螺(luo)旋(xuan)推進的(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)方(fang)式。
三、檢(jian)測探頭
軸向裂紋檢(jian)測應具(ju)備兩大要素：一是(shi)外加磁場方(fang)向應最(zui)大限度地與軸向裂紋垂直(zhi)，以激勵出(chu)最(zui)大強度的漏磁場；二(er)是(shi)磁場測量單(dan)元應該具(ju)有足夠的靈敏度。
1. 交流漏(lou)磁(ci)磁(ci)化器(qi)
鋼棒直徑越(yue)小，軸向裂紋的檢測穩(wen)定性越(yue)難以保(bao)證。圖(tu)7-29所示(shi)為C形(xing)磁化器(qi)檢測狀(zhuang)態圖(tu)。
該方(fang)案有如下優點：
a. 經(jing)過鋼(gang)棒(bang)的(de)有效主(zhu)磁(ci)通更(geng)大(da)，并且能(neng)保(bao)證磁(ci)場方向同軸向裂紋正交，裂紋漏(lou)磁(ci)場更(geng)大(da)。
磁(ci)化(hua)(hua)器所(suo)產生(sheng)的(de)磁(ci)通路(lu)徑有兩條：一是經過鋼棒(bang)(bang)的(de)主磁(ci)通，二(er)是不經過鋼棒(bang)(bang)的(de)漏磁(ci)Φ通，即(ji)在(zai)磁(ci)化(hua)(hua)器兩極(ji)之間(jian)傳遞的(de)磁(ci)通。故在(zai)磁(ci)路(lu)內的(de)總磁(ci)通為(wei)
Φo=Φs+Φ, (7-1)
常規交流漏磁檢測(ce)一般使用U型磁軛，磁極平面(mian)一般與鋼(gang)棒(bang)表面(mian)相切。本方案的C形磁極用弧面(mian)與鋼(gang)棒(bang)表面(mian)貼合，氣隙(xi)漏磁通量(liang)少，有效增大進(jin)入鋼(gang)棒(bang)的主磁通量(liang)。
b. 對(dui)(dui)于(yu)小(xiao)規(gui)格鋼(gang)棒(bang)，磁(ci)極與(yu)鋼(gang)棒(bang)表面(mian)貼合不好(hao)，會(hui)使傳感器檢(jian)測(ce)區域偏(pian)離(li)(li)磁(ci)化(hua)中(zhong)心區，對(dui)(dui)信(xin)號產生干擾。在自動(dong)化(hua)檢(jian)測(ce)中(zhong)，這種動(dong)態偏(pian)離(li)(li)將引起(qi)較大(da)的干擾，降低檢(jian)測(ce)信(xin)噪比(bi)和靈敏(min)度。C形磁(ci)化(hua)器及(ji)其磁(ci)極實現了較好(hao)的對(dui)(dui)中(zhong)，檢(jian)測(ce)信(xin)號穩定，振動(dong)干擾小(xiao)。
在(zai)檢(jian)測不同(tong)直(zhi)徑的鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)時，鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)中(zhong)(zhong)心高會(hui)發生(sheng)變(bian)(bian)化，浮動對中(zhong)(zhong)機構可良好地實現探頭(tou)跟蹤，減少(shao)干擾噪聲。利(li)用(yong)滑軌滑塊機構可實現檢(jian)測探頭(tou)裝置的整體(ti)上下(xia)移動，以適應鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)的中(zhong)(zhong)心高變(bian)(bian)化。氣缸可使檢(jian)測單元(yuan)在(zai)鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)螺旋前進(jin)過程(cheng)中(zhong)(zhong)緊密(mi)貼合鋼(gang)(gang)棒(bang)(bang)，避免提離值(zhi)的變(bian)(bian)化對檢(jian)測信號的影(ying)響，如圖7-30所(suo)示。
2. 陣列傳感器
為提高(gao)檢測(ce)速度并滿足全(quan)覆(fu)蓋一(yi)(yi)致性檢測(ce)，傳感(gan)器(qi)設(she)計成陣(zhen)列式(shi)，以增加探(tan)頭軸向(xiang)(xiang)覆(fu)蓋范圍，防止(zhi)缺陷漏檢。鋼棒螺旋前進的(de)螺距一(yi)(yi)般稍小(xiao)于探(tan)頭軸向(xiang)(xiang)覆(fu)蓋范圍，鋼棒運行螺距越大，系(xi)統檢測(ce)速度越高(gao)。
由于檢(jian)測過(guo)程中會出(chu)現多種機械電(dian)氣干(gan)擾而形成背景噪聲(sheng)，將傳(chuan)感器單元設計為差分(fen)式結構(gou)來消除部分(fen)干(gan)擾信號。如圖7-31所示，檢(jian)測單元由扁(bian)平線圈(quan)及聚磁鐵心(xin)組(zu)成，虛線框為一個差分(fen)單元。探頭耐(nai)磨層采用陶(tao)瓷片，實踐證明具(ju)有很(hen)好的耐(nai)磨效果，在具(ju)體應用過(guo)程中只需定期更換陶(tao)瓷片，即可延長(chang)探頭的使用壽命。
四、現場應用
鋼(gang)棒(bang)軸(zhou)向裂紋自(zi)動檢(jian)測(ce)(ce)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)如圖(tu)(tu)7-32所示，系統由(you)信號勵磁源、計(ji)算機、采(cai)集卡、信號處理電路、輔機裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)和檢(jian)測(ce)(ce)單(dan)元(yuan)等組成。圖(tu)(tu)中所示裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)僅用(yong)了1個檢(jian)測(ce)(ce)單(dan)元(yuan)，其軸(zhou)向覆(fu)蓋范圍為(wei)50mm，調(diao)節輥(gun)道的擺角，使ф24mm鋼(gang)棒(bang)行駛螺(luo)距(ju)小于50mm。當檢(jian)測(ce)(ce)單(dan)元(yuan)增加到(dao)8個時，檢(jian)測(ce)(ce)螺(luo)距(ju)達到(dao)500mm，檢(jian)測(ce)(ce)直線速度可提升到(dao)60m／min。
待檢鋼棒如圖7-33所示，表面(mian)共(gong)有四個(ge)軸向(xiang)裂紋，長均為(wei)(wei)40mm，寬均為(wei)(wei)0.2mm，裂紋深依次(ci)為(wei)(wei)0.30mm、0.15mm、0.25mm和0.30mm。
對鋼(gang)棒表面進行自動化(hua)檢(jian)測，所(suo)得(de)信(xin)號(hao)如圖7-34所(suo)示。由檢(jian)測信(xin)號(hao)可(ke)(ke)知(zhi)，該裝置對表面不同深度的軸向裂紋有穩定可(ke)(ke)靠的檢(jian)測能力，且信(xin)噪(zao)比較好。
交流漏磁法(fa)對(dui)鋼棒表面軸向裂紋具(ju)有較高的檢(jian)(jian)測靈敏度。局部(bu)磁軛磁化(hua)器(qi)易與陣列傳感器(qi)實現一體化(hua)，采用C形局部(bu)磁化(hua)器(qi)和陣列傳感器(qi)設計(ji)，使(shi)得(de)檢(jian)(jian)測結構更簡單、小型化(hua)，有利于自(zi)動(dong)化(hua)檢(jian)(jian)測的實施(shi)。該系統裂紋檢(jian)(jian)測深度最淺可(ke)達0.15mm，檢(jian)(jian)測速度可(ke)達60m／min，滿足鋼棒自(zi)動(dong)化(hua)檢(jian)(jian)測需求。
