輪轂軸承旋壓面的漏磁檢測

李二龍，康宜華，楊蕓，劉海峰，王大平

（1.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074；2.重慶長江軸承股份有限公司，重慶 401336）

輪轂軸承是汽車的關鍵零部件，第3代輪轂軸承采用旋壓工藝進行裝配，裝配后軸承的整體性好，安裝維護便捷，在汽車工業中得到了廣泛應用［1-4］。但輪轂軸承在旋壓加工中易產生裂紋，為提高汽車安全性能，對輪轂軸承旋壓面進行無損檢測具有重要意義。

軸承的無損檢測主要有超聲、磁粉、滲透、漏磁和渦流等方法［5-9］：旋壓面是一個空間曲面且裂紋深度淺，超聲波檢測難以適應；旋壓后軸承內部封裝有潤滑油，磁粉檢測磁懸液會破壞輪轂軸承內部油脂；而使用仿形包絡的渦流探頭僅能檢測外表面裂紋，難以發現材料內部和旋壓背面缺陷；漏磁檢測因精度高、易實現自動化等特點被廣泛應用［10-11］。

因此，提出一種采用仿形包絡的磁化器和檢測探頭陣列實現輪轂軸承旋壓面漏磁的探傷方法［12］，配合機械和控制系統實現自動化探傷，既能檢測輪轂軸承表面缺陷，又可探知材料內部和旋壓背面缺陷。

1 檢測方法

1.1 旋壓面缺陷分析

第3代輪轂軸承內圈零件的旋壓過程如圖1所示。旋壓過程中旋鉚頭與軸承內圈始終保持單點接觸，旋壓圓角位置變形為軸向彎曲和徑向延展，易產生斜向裂紋；旋壓外圓位置變形主要為周向延展，易產生徑向裂紋。旋壓面金屬最大變形區域為旋壓外圓位置，此處金屬受周向拉應力較大，易產生徑向裂紋。

圖1 旋壓工藝圖紙Fig.1 Diagram of spinning process

軸承在生產運輸過程中與工裝零件之間發生磕碰也可能造成旋壓面產生表面淺裂紋，如圖2所示。因磕傷產生的小缺陷雖不影響軸承使用，但如果數量較多，仍會降低軸承表面質量，帶來安全隱患。

圖2 輪轂軸承旋壓裂紋Fig.2 Spinning crack on hub bearing

1.2 漏磁檢測方法

輪轂軸承旋壓過程中旋壓面易產生徑向和斜向裂紋，且裂紋在表面和旋壓背面均有分布，使用漏磁法能夠檢測出旋壓表面、材料內部和旋壓背面的缺陷，檢測結果準確可靠且檢測精度高，可發現旋壓面微小裂紋。

漏磁檢測原理如圖3所示，當鐵磁性構件被外加磁化器磁化飽和后，如果構件上存在腐蝕或機械損傷等缺陷，磁力線會泄漏到構件外部，從而在構件表面形成漏磁場。在工件表面放置磁場傳感器，即可探測到該漏磁場。

圖3 漏磁檢測原理示意圖Fig.3 Diagram of MFL detection principle

1.2.1 磁化方法與磁化器

旋壓面為空間回轉曲面，空間曲面上的磁力線易發生扭曲，形成不均勻磁場。根據漏磁探傷原理，磁化場應使得被檢局部區域飽和，且磁力線方向垂直于裂紋走向。結合輪轂軸承的結構特點，采用U形磁軛磁化方法，增加與旋壓面嚙合的極靴導套，形成周向磁化場，磁化輪轂軸承旋壓面，該磁化器結構如圖4所示。兩磁極之間的距離為d1，旋壓面與極靴導套之間的距離為d2，其中d1＝15 mm，d2＝1.5 mm。

圖4 包絡旋壓面的磁化器Fig.4 Magnetizer of enveloping spinning surface

兩磁化線圈匝數各為100，通入4 A直流電，有限元法計算得到旋壓面磁力線的走向如圖5所示。從圖中可以看出：磁力線通過極靴導套集中到旋壓面上；在兩磁極間，磁力線與輪轂軸承徑向垂直；在兩磁極對稱中心截面上，磁場的立面分布云圖如圖6所示，在探傷的局部圓環區域形成了均勻勵磁場。

圖5 旋壓面磁力線走向Fig.5 Trend of magnetic field lines on spinning surface

圖6 中心立面上磁場的分布云圖Fig.6 Distribution contours of magnetic field on center facade

不同規格輪轂軸承旋壓面的幾何形狀不同，且同一條生產線上可能生產多種規格的輪轂軸承，因此，磁化器設計成U形磁軛與極靴導套分離的2部分，通過更換極靴導套，可解決多規格的適應性問題。

1.2.2 漏磁檢測探頭陣列

輪轂軸承旋壓面上的探測裂紋深度淺、寬度窄，在產品質量認證中通常將裂紋深度大于0.1 mm的產品判定為不合格品。微裂紋形成的漏磁場微弱，同時隨提離值的增大衰減劇烈。感應線圈、霍爾元件的測點提離值大；磁阻磁頭、巨磁阻磁頭在強背景磁場下會飽和。因此，采用微小磁頭拾取旋壓面微弱漏磁場。

為保證每個磁頭的檢測位置穩定可靠，將磁頭封裝在探頭靴內部，探頭靴弧面與旋壓曲面包絡嚙合，如圖7所示。合格的旋壓面幾何形狀誤差應小于0.6 mm，每個磁頭背面安裝獨立的浮動機構，確保每個磁頭與旋壓面緊密貼合。在探頭靴上加工不同方位的方形滑槽，使磁頭浮動時磁頭位置也保持在旋壓面法向方向上。

圖7 微小磁頭Fig.7 Tiny magnetic heads

檢測中，每個磁頭掃查旋壓面的一段周向回旋環面，陣列磁頭覆蓋全部探測面。在探頭靴的兩側分別布置交錯的磁頭，消除陣列磁頭間的間隙漏檢。

2 自動化漏磁探傷裝置

輪轂軸承自動化漏磁探傷裝置可實現自動化輸料檢測、探傷數據分析和廢品剔除3個功能。探傷后軸承剩磁應低于4 Gs，因此需增加退磁工位。自動化輪轂軸承漏磁探傷裝置如圖8所示，檢測工位采用探頭靜止不動、軸承周向旋轉的方式實現探頭全覆蓋掃查，共分為進料、檢測、分料、出料4個工位，退磁安排在分料工位后。

圖8 輪轂軸承漏磁探傷主機Fig.8 Magnetic leakage flux inspection host for hub bearing

2.1 自動化輸料檢測平臺

在進料位置，采用與輪轂軸承大凸緣配合的圓弧面實施定位，利用磁化器電磁力實施抓取，將軸承吸附到磁化器上，通過豎直氣缸帶動軸承上移，翻越定位擋圈。第1級平移氣缸帶動軸承停留在檢測工位，此時軸承與磁化器通過端面定位凸緣保持同心，在軸承下方布置驅動撥桿，帶動輪轂軸承自帶螺栓驅動軸承內圈轉動，實現探頭相對旋壓面的周向掃查。使用撥桿驅動軸承不需要保證撥桿與軸承同心，在轉動過程中定位凸緣始終與軸承外圈配合，降低了裝配和機加工難度。在退磁線圈上安裝推料撥桿，在退磁氣缸移動過程中同步將軸承推送至下一工位。

檢測流程如圖9所示，初始位置氣缸均處于收回狀態。第1級平移氣缸與勵磁裝置連接，橫移氣缸缸體與退磁裝置連接。第2級平移氣缸同時伸出，勵磁線圈和退磁線圈分別到達進料工位和廢品工位；2個豎直氣缸同時伸出，勵磁器和退磁器下降到軸承端面位置；對勵磁線圈和退磁線圈通電，利用電磁力將軸承吸附到勵磁器上，退磁器開始工作；收回勵磁器豎直氣缸和第1級平移氣缸，帶動輪轂軸承到檢測工位，撥桿電動機轉動，開始檢測；檢測完畢，第2級平移氣缸收回，通過退磁線圈上的撥桿帶動輪轂軸承運動到出料工位；勵磁器豎直氣缸伸出，勵磁器斷電，電磁力消失，軸承脫離勵磁器；2個豎直氣缸同時收回到初始位置；根據檢測結果判定被檢樣品是否合格，若為不合格品，廢品氣缸動作，通過撥桿帶動輪轂軸承進入廢品通道，若為合格品，等待退磁器退磁并進入出料通道。

圖9 檢測流程示意圖Fig.9 Flow chart of detection

該裝置實現了探傷運動一體化，勵磁器通過強磁場將輪轂軸承旋壓面磁化飽和，并利用電磁力實施抓取，在平移過程中實現軸承工位轉換，利用勵磁線圈通、斷電實現軸承取料與放料。在退磁線圈側面安裝撥料桿，輪轂軸承在廢品工位和出料工位，退磁線圈均保持工作狀態，退磁時間長，退磁效果好。檢測工位撥桿電動機轉速為 60 r／min，檢測時間為 3 s，軸承工位轉換和檢測過程總時間為12 s。第3代輪轂軸承手動生產線裝配單個軸承時間為15 s，裝配節拍約為25 s。

2.2 探傷數據分析

使用人工刻槽樣件、自然缺陷樣品、微小磕傷樣品以及體積型損傷樣件進行試驗，其中，旋鉚頭異常工作時，會使零件部分材料粘接在旋鉚頭上，造成體積損傷。各個樣品如圖10所示，人工刻槽深0.05 mm、寬0.20 mm；自然缺陷樣品為旋壓過程中產生的廢品；自然裂紋深度大于人工刻槽深度；微小磕傷和體積型損傷深度淺，使用10倍放大鏡方可觀測。由于內部、旋壓背面缺陷難以觀察，無法獲得相應圖片，因此，未對材料內部、旋壓背面缺陷的檢測結果進行詳細描述。

圖10 樣品及缺陷Fig.10 Samples and defects

調整軟件增益，得到的檢測信號如圖11所示，圖中實線為報警門限。輪轂軸承旋轉4周，檢測系統得到了4次異常波形。從檢測波形中可以看出，自然缺陷檢測信號的峰峰值最大，人工刻槽檢測信號的峰峰值次之，微小磕傷及體積損傷檢測信號峰峰值最小，檢測信號峰峰值與缺陷大小之間一一對應，說明檢測信號可以較好地反應輪轂軸承旋壓面的缺陷大小。

圖11 樣品測試信號Fig.11 Test signals of sample

旋鉚機出現異常時，易導致旋壓面表面粗糙度值增大，此時檢測信號雖未超過報警門限，但其基波較大（圖12），檢測信號能較好的反應旋壓表面質量狀況。采用高靈敏度微型磁頭能夠拾取到微小缺陷產生的漏磁場，達到快速、準確地探傷目的，用戶可根據檢測信號提示，及時維護旋鉚機，消除安全隱患。

圖12 旋鉚頭異常檢測信號Fig.12 Abnormal detection signal of rotary riveting head

2.3 廢品剔除

為滿足輪轂軸承旋壓面自動化漏磁探傷的需求，應通過軟件自動分析漏磁探傷信號，將不合格品剔除。本裝置通過對比標準缺陷（深0.05 mm、寬0.20 mm）漏磁檢測信號，采用信號增益軟件結合門限設定對檢測產品進行判定，即調整增益使得標準件漏磁檢測信號峰值為3 V，設定報警門限為2 V。檢測過程將漏磁檢測信號峰值高于報警門限的產品判定為不合格品，并驅動廢品氣缸動作，將不合格品推至廢品料道，合格品退磁后自動進入下一工序。

3 結束語

使用漏磁法對輪轂軸承旋壓面進行檢測，使用周向磁化法在旋壓面缺陷位置形成漏磁場，通過單點浮動陣列組合精密磁頭拾取旋壓面微弱漏磁場信息，結合探傷運動一體化平臺，通過軟件門限設定、判定被檢產品是否合格，自動化剔除有缺陷的產品。該漏磁檢測裝置結構簡單、檢測精度高、運行過程穩定可靠，對保障輪轂軸承質量具有重要意義。