基于TMR的軸承滾子微細裂紋漏磁檢測方法

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)字化國家工程研究中心，湖北武漢 430074)

0 引言

滾子是滾子軸承運轉(zhuǎn)時承受負荷的主要元件，同時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，會對軸承造成嚴重損害，因此有必要對軸承滾子進行100%缺陷檢測[1-2]。

目前軸承滾子的主要檢測方法有人工檢測法、磁粉法、渦流法、超聲法、機器視覺法等[3-7]。人工目檢法檢測效率低、強度大，極易造成誤檢和漏檢；磁粉法對檢測人員的操作、技術(shù)要求高，檢測效率低，后續(xù)處理流程復(fù)雜，有污染；渦流法對檢測裝置精度要求高，難以檢測內(nèi)部缺陷；超聲法檢測速度慢、效率低，存在表面檢測盲區(qū)，且檢測時需要耦合劑，若耦合劑處理不及時，會影響后續(xù)工藝進程；機器視覺法對檢測環(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，且無法檢測內(nèi)部缺陷。與以上檢測方法相比，漏磁檢測具有檢測效率高、工藝流程簡單、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裂紋檢測，通過磁軛式線圈施加周向磁化，檢測滾子軸向裂紋，提出了一種基于TMR傳感的軸承滾子微細裂紋漏磁檢測方法，實現(xiàn)不同直徑軸承滾子的高速、高精自動化無損檢測。

1 軸承滾子軸向裂紋的漏磁檢測方法

1.1 滾子結(jié)構(gòu)缺陷特點

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。實際生產(chǎn)資料顯示，軸承滾子缺陷大多是鍛造軋制過程中產(chǎn)生的表面折疊裂紋或冷拉過程中形成的表面劃傷等，通常為μm級的微細裂紋，且多數(shù)裂紋沿軸向延展[11]，為此，本文主要研究軸向微細裂紋的檢測問題。

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方法

根據(jù)漏磁檢測原理，滾子軸向裂紋的檢測需要周向磁場磁化，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 軸承滾子漏磁檢測原理圖

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

1.3 最優(yōu)的磁化電流

使用CMOSOL有限元仿真軟件對滾子的磁化效果進行仿真分析。對內(nèi)徑d為20 mm、外徑D為52 mm的滾子建立計算模型，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)磁場模分布云圖如圖4所示。在檢測點P(距離滾子外表面0.1 mm)的磁感應(yīng)強度隨電流值變化如圖5所示。

圖4 滾子內(nèi)磁場隨磁化電流的變化

圖5 滾子近表磁感應(yīng)強度隨電流值的變化

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，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的漏磁場測量方法

滾子表面微細裂紋產(chǎn)生的漏磁場極其微小，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 偏置磁場調(diào)節(jié)TMR測磁工作點

在12 A的磁化電流下，測點位置的背景磁場已有14 mT，超出TMR2001測量的量程。為此，提出了一種施加偏置磁場的測量方法，如圖7所示。在TMR傳感器測點附近施加一個與背景磁場反向的恒定磁場，使得測點上的合成磁場在TMR量程范圍內(nèi)變動。

圖7 基于磁場偏置的TMR傳感器檢測原理圖

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

圖8 基于磁場偏置的缺陷漏磁信號

2.2 差分測磁陣列探頭

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

圖9 TMR雙線陣差分探頭示意圖

3 實驗

對內(nèi)徑為20 mm、外徑為52 mm的滾子進行實驗測試，樣件如圖10所示。沿軸向的人工刻傷長度為10 mm、寬度為20 μm、深度為30 μm。

圖10 檢測工件示意圖

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

圖11 實驗平臺

圖12 TMR2001的響應(yīng)曲線

圖13 30深裂紋漏磁場檢測信號

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

保持上述實驗條件不變，對深度分別為15、60、100 μm的刻傷進行實驗。偏置前與偏置后的裂紋信號峰峰值如圖14所示。輸出信號峰峰值隨裂紋深度呈線性增加，施加磁場偏置后的輸出信號幅值明顯增強。

圖14 裂紋信號峰峰值隨深度的變化

4 結(jié)束語

(1)軸承滾子微細裂紋采用漏磁檢測方法具有可行性。

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