薄環開口零件中空氣間隙對磁粉檢測結果的影響

(中國航發常州蘭翔機械有限責任公司，常州 213022)

對于結構閉合的環狀零件，通常采用中心導體法對其進行磁粉檢測，其磁場強度也采用經典方法進行計算。

但在生產中，常遇到另一類環狀零件，其結構并不完全閉合，而留有一個較大的空氣間隙。由于空氣間隙的存在，零件磁路結構的參數會發生較大的變化。如果采用常規的磁化方法，則會因為磁場強度太小，使得缺陷處的磁痕顯示不清晰[1]。

生產中遇到這種情況時，必須根據零件的使用要求，找出影響磁場強度大小的因素并改變磁粉檢測工藝，才能滿足零件磁粉檢測的要求。

筆者以某產品擋圈零件的磁粉檢測為例進行說明，得出空氣間隙對其磁粉檢測結果的影響，并提出了解決辦法。

1 磁路分析

薄環開口擋圈零件的結構如圖1所示[2]，其為一個中間有較大空氣間隙的薄形環狀零件。該擋圈零件的作用是在軸上固定其他組合零件，防止其他零件在使用中產生滑移。根據產品要求的不同，擋圈零件最大直徑在100 mm左右，厚度均在5 mm左右。其材料為65Mn彈簧鋼，熱處理工藝為820 ℃油淬，420 ℃回火[3]。

圖1 薄環開口擋圈零件結構示意

從零件使用要求可以看出，影響產品失效的原因是斷裂。這種斷裂的方向通常是徑向的，即缺陷與圓環的切線方向垂直或成一個較大的角度。為此，檢測磁場的方向應該與缺陷垂直或成一個較大的角度[4]。對該薄環開口擋圈零件來說，應該采用與環方向一致的中心導體周向磁化方法,這種磁化方法能發現環面內外壁上的縱向缺陷和環側壁上的徑向缺陷[5]。

但是，開口或不開口的零件不能采用相同的磁化規范,而且兩者之間還存在著相當大的差異。

用磁路對圖1所示的薄環開口擋圈零件進行分析，磁路上各段的長度L與其磁場強度H的乘積為磁壓，并且各分段磁壓之和與磁路中電流產生的磁勢Fm相等，即

H1L1+H2L2+…+HnLn=NI(1)

∑HiLi=Fm(2)

式中：N為線圈的匝數;I為線圈的電流。

依據以上原理，對開口擋圈進行中心導體法磁化，再對整個磁路進行分析。設開口擋圈空氣間隙為12 mm，厚度為2 mm。其磁路總長度L按外徑近似計算為0.157 m。

(1) 如果擋圈沒有12 mm的空氣間隙, 整個零件是閉合回路, 標準GJB 2028-1994《磁粉檢驗》中規定“當連續檢查時,施加在零件上任何部位的磁場強度切向分量應達到2.4 kA/m”，選擇的磁化規范應為I=8D=400 A。依據式(2)可知

Fm=NI=HiLi=2 400πD(3)

式中：D為圖1中的φ50 mm。

中心導體磁化可視為1匝線圈對零件的磁化，則I也約為400 A。從材料的磁化曲線中查得，此時的磁感應強度B約為1.2 T，相對磁導率μr約為400。

相應的磁化磁動勢為380 A·匝(中心導體磁化可視為單匝線圈對零件的磁化)，與標準規定相符。

(2) 該擋圈磁路中有12 mm的空氣間隙，則整個磁路參數就發生了大的變化。磁路由原來的單一材料變成了兩種。磁路長度也變成了L=L1+L0,其中L1=L-L0=0.145 m(L0=0.012 m)。

設空氣間隙中的磁場近似均勻，則：B0≈B1。由于空氣間隙的相對磁導率與真空磁導率相近，故μr0=1，材料磁導率的比值為1/400。

要使空氣間隙的磁感應強度B0也達到擋圈材料中的磁感應強度B1，也就是說空氣間隙中的磁場強度H0[6]應為

H0μr0=H1μr=B1(4)

加在空氣間隙上的磁場強度為

H0=H1μr/μr0=9.6×105(5)

而此時的總磁動勢應為

Fm=H1L1+H0L0=11 868(6)

若采用中心導體法，則要約12 000 A電流才能滿足檢測要求，該電流約為原來電流的30倍。若仍采用原I=8D的方法計算，則圖1所示的薄環開口擋圈零件部分磁化將嚴重不足，會使缺陷處的磁痕顯示不清晰，甚至可能造成漏檢。其原因是空氣間隙造成了大的磁阻，消耗了過多的磁能量，造成薄環開口擋圈零件得不到充分的磁化。另外，設備也無法滿足磁化的要求。

2 磁化工藝優化

由于磁化能量消耗主要是由空氣間隙影響的，因此可以設想采用鐵磁材料填充空間，以縮短空氣間隙長度的方法來改變磁阻，進一步優化磁化參數。

以鐵磁材料穿過兩孔連接零件，使薄環開口擋圈零件形成一閉合鐵磁回路(忽略連接處的間隙)，應該是能改善磁化參數的。

用線切割的方法在擋圈零件上制作了7條人工缺陷，人工缺陷的位置及深度示意如圖2所示。考慮薄環開口擋圈零件的表面狀態，采用連續法熒光磁粉檢測。

圖2 擋圈零件上人工缺陷的位置及深度示意

(1) 采用標準規范中規定的I=8D=8×50=400 A，對薄環開口擋圈零件(不閉合狀態)用中心導體法磁化，在暗室中觀察,得到1，7號缺陷不顯示，2，3號缺陷顯示不清晰，4，5，6號顯示比較清晰的結果。

(2) 用鐵絲將間斷處連接起來，仍采用I=400 A對閉合擋圈零件進行中心導體法磁化，在暗室中觀察的結果是1～7號缺陷均顯示清晰。

(3) 采用同樣的方法對不同直徑的擋圈制作同樣的人工缺陷，得到的結果是相同的。

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通過以上試驗可以說明：開口環形零件在磁化時，應該考慮空氣間隙對磁化結果的影響。由于空氣間隙的存在，增大了磁路的磁阻，在間隙處產生了大的磁壓降，造成零件上的磁化不足，使得某些細微缺陷不能很好地檢測出來。

3 結語

(1) 文中的磁路計算是在理想狀態下進行的，由于磁路計算不能像電路計算那樣精確，影響因素也較多，故結果只能在磁粉檢測的磁化工藝分析時用作參考。

(2) 由于受到加工人工缺陷設備局限性的影響，如線切割的鉬絲直徑太大，而無法制作出更精確的人工缺陷，空氣間隙對磁路中的磁動勢影響的試驗結果比計算結果要小。

[1] 竇華梅. 退磁場對磁粉探傷結果的影響[J]. 無損檢測, 2004，26 (1):44-45.

[2] 于洋, 董志, 張磊. 某典型第七鉸鏈零件的加工方案論證[J]. 裝備制造技術, 2015(10):229-230.

[3] 潘廣明, 衛廣智, 朱海寧. 51CrV4彈簧鋼熱處理工藝的研究[J]. 現代機械, 2012(1):74-76.

[4] 劉樂樂, 蔣成虎, 郭軍衛. 磁粉檢測簡介及其在電廠設備中的應用[J]. 科技創新與應用, 2016(24):156.

[5] 孫金立, 陳新波, 李小麗. 航空維修用小型化多功能磁粉探傷儀的研制[J]. 無損探傷, 2014(3):31-33.

[6] 呂憶玲, 張曉明, 陳國彬, 等. T形磁通集聚器磁場放大特性及影響因素研究[J]. 傳感技術學報, 2015(11):1614-1619.