渦流法檢測軸承內圈滾道表面缺陷研究

張凱勝，王歡，趙燕

(中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

航空軸承是航空發動機的核心部件，其性能直接影響航空武器裝備的可靠性、安全性。當軸承套圈滾道表面或次表面存在裂紋或細微缺陷時，在高載荷，高旋轉精度,高轉速的交變應力作用下，滾道易產生疲勞剝落，使軸承因摩擦磨損而喪失精度，造成早期失效[1]。

套圈內部缺陷可通過水浸超聲法檢測,但對于表面缺陷，如鍛造折疊、熱處理裂紋、磨削裂紋等，目前可通過熒光磁粉來檢測。雖然該方法檢測表面缺陷靈敏度高，但在操作和缺陷判定時有一定人為因素影響，存在漏檢，且對于缺陷嚴重程度無法量化。隨著主機使用性能的提高，軸承工況條件更加苛刻，軸承滾道作為重要工作面成為關注重點，采用機械夾持套圈旋轉，探頭步進，軟件采集檢測信號的檢測方法加強對軸承滾道的質量控制十分必要。

我公司開展了采用渦流法控制滾道缺陷的試驗工作，在某型航空發動機軸承上采用EEC-39RFT+智能全數字八頻遠場渦流檢測儀，配合使用可檢測覆蓋整個滾道的仿形探頭，通過手動檢測實現對深0.05 mm當量缺陷的有效控制。但采用固定形狀的仿形探頭存在僅適用檢測單一尺寸滾道的問題，而且手動方式檢測存在提離效應導致信號不穩、重復性及通用性差的問題，且檢測靈敏度也需要提高。

鑒于此，現采用探頭機械夾持，在半自動檢測機械裝置下對套圈滾道各個位置進行掃查，將該裝置與渦流設備結合起來進行試驗。用電火花加工人工傷模擬缺陷，研究檢測參數及缺陷尺寸對渦流檢測結果的影響規律。

1 渦流檢測影響因素

渦流檢測是以電磁感應原理為基礎, 應用于導電零件表面、近表面裂紋類缺陷的檢測[2]。影響套圈渦流檢測效果的因素主要有以下幾種。

1)探頭類型。根據套圈的尺寸及滾道形狀多樣特征，選用筆式探頭以增加其通用性；為減少環境因素及表面狀態的影響，采用差動式探頭。

2)提離。渦流提離曲線是非線性的，靠近材料表面時磁場變化量增大;反之，磁場變化量減小。小直徑線圈在很小的提離范圍內就會出現明顯的提離效應，測試時可通過高精度工裝保證探頭與滾道距離或接觸力恒定。

3)透入深度。感應產生的電渦流在材料中并非均勻分布，在交變電流作用下表面密度較高，且隨著材料深度增加成指數衰減。渦流透入材料中的距離為透入深度，其與施加線圈上的頻率、待檢件電導率及磁導率有關。標準透入深度的實際數值是指渦流密度衰減到表面數值37%的深度，也稱為集膚深度。當超過3倍標準透入深度時，渦流密度太小而不能提供可顯示的信號。實際檢測時，通常根據待檢缺陷深度考慮適宜的渦流檢測頻率。

4)線圈直徑。給定匝數或輸入功率時，線圈磁場作用范圍與線圈直徑成正比。因此，檢測缺陷越小，越宜采用小直徑,高靈敏度探頭。

5)溫度。溫度變化會使探頭性能和電導率變化，導致測量值偏離，但通常軸承套圈在制造過程中檢測且在室內進行，溫度變化較小，只要保證待檢套圈溫度與室溫一致即可。

6)表面粗糙度。加工過程對套圈表面粗糙度產生影響，粗糙的工件表面相當于多個微小缺陷，整體反映為產生一定的背景噪聲，會使渦流檢測的信噪比降低。通過精細磨削可降低上述影響。

7)檢測速度。通常渦流檢測允許的速度范圍較大，GJB 2908—1997《渦流檢驗方法》中要求掃查速度(線圈相對工件表面的運動速度)波動在±5%以內，線圈運動速度對渦流大小幾乎沒有影響[3]。另外，采用滿足驗收指標的對比試樣進行設備校準更準確。

影響因素中溫度、探頭參數固定，通過工裝保證不受提離干擾，在不同頻率、掃查速度、缺陷尺寸(長度、寬度、深度)、表面粗糙度下進行試驗分析。

2 試驗

2.1 試樣

選用材料為Cr4Mo4V鋼，終磨滾道狀態的球軸承、圓柱滾子軸承內圈各1件，其結構參數見表1。因軸向為原材料軋制方向，且滾道加工主要通過車削和磨削，缺陷產生方向主要垂直于加工方向，因此，采用電火花加工方式在內圈上沿垂直滾道周向制作11個人工傷模擬缺陷，缺陷尺寸(長度×寬度×深度)及位置見表2。

表1 內圈結構參數

表2 試樣缺陷尺寸及位置

2.2 試驗設備

試驗原理圖如圖1所示，主要由計算機系統、電氣系統、阻抗式渦流檢測儀、探頭和機械掃描器組成，機械夾持轉臺如圖2所示，夾持轉臺用來保證探頭與工件的相對穩定運動及掃查間距。采用尖端為球形、直徑0.5 mm、頻率0.5～2 MHz的高靈敏度差動式探頭，有效檢測直徑為1.5 mm。探頭長度應保證可以實現對滾道表面的垂直掃查，檢測時探頭與滾道接觸，探頭端部采用聚四氟乙烯作保護。

圖1 試驗原理圖

圖2 機械夾持轉臺

2.3 試驗方法

計算機系統根據掃描計劃啟動掃描程序，并發送運動軌跡指令至電氣系統；電氣系統根據計算機指令驅動掃描器和探頭對套圈進行輪廓跟蹤掃查，其間探頭相對于套圈表面始終保持恒定的角度和距離；計算機系統實時獲取探頭位置信息以及渦流探傷儀的檢測數據，并將檢測數據與探頭位置信息一一對應、分析。

用圓柱滾子軸承測試各影響因素對測量幅值的影響，并用球軸承來對比分析不同類型套圈上相同尺寸缺陷的測量結果。因套圈存在剩磁會影響渦流結果，在試驗前對套圈進行退磁，并使用磁強計測量剩磁，應不大于5×10-4T。

3 結果與分析

3.1 檢測頻率對幅值的影響

不同頻率下選取1#～10#缺陷進行測試，結果如圖3所示，其中幅值指材料噪聲或缺陷在渦流檢測下的響應，即相對于原點的幅度增加值。

圖3 不同檢測頻率下缺陷檢測結果

由圖3可知，對于Cr4Mo4V鋼，渦流檢測頻率在710～909 kHz時，各缺陷信號幅值均相對較高；頻率大于1 MHz后，各缺陷信號幅值呈下降趨勢。雖然這些頻率在檢測時均達到渦流信噪比優于3∶1的要求，但選擇合適的頻率更有利于缺陷的檢出，因此采用833 kHz頻率進行試驗測試。

3.2 檢測速度對幅值的影響

不同轉速下缺陷檢測結果如圖4所示。由圖可知，轉速整體上對幅值影響較小，幅值隨轉速增加有小幅增大，之后趨于平穩。但在轉速小于8 r/min時，3#缺陷的幅值隨轉速的增大變化較大，這是由于采用接觸方式檢測，轉速較小時有一定振動干擾。在工裝結構穩定的情況下可不考慮檢測速度的影響。

圖4 不同轉速下缺陷檢測結果

3.3 缺陷尺寸對幅值的影響

3.3.1 寬度

選取1#，2#，3#缺陷進行測試，缺陷寬度對幅值的影響如圖5所示。由圖可知，不同寬度缺陷的幅值區別較大，缺陷長度和深度相同時，寬度越小，則幅值越小，檢出信號越弱。

圖5 缺陷寬度對幅值的影響

3.3.2 深度

選取4#，5#，6#，7#缺陷進行測試，缺陷深度對幅值的影響如圖6所示。

圖6 缺陷深度對幅值的影響

由圖6可知，缺陷長度和寬度相同時，幅值隨著深度的增加逐漸增大。深0.02 mm的缺陷信號幅值較小，主要因為接近設備檢測極限。對于深0.02 mm的較淺缺陷，提高檢測頻率可提高其識別效果，與渦流檢測理論相符。

渦流檢測采用交流電，交流電能產生變化磁場，同時交流電存在相位，由于渦流探傷時表面下的感應渦流滯后于表面渦流一定相位，因此一般采用相位分析判斷缺陷的深度。在833 kHz頻率下，缺陷深度對相位角的影響如圖7所示。由圖可知，隨著缺陷深度增加，相位角呈滯后趨勢(相位角增加)，與渦流的相位差隨深度的變化趨勢相近[4]。

圖7 缺陷深度對相位角的影響

3.3.3 長度

選取8#，9#，10#缺陷進行測試，缺陷長度對幅值的影響如圖8所示。由圖可知，隨著缺陷長度增加，幅值相應增加，缺陷長度對幅值的影響較大，主要是由于缺陷長度小于探頭的有效檢測范圍。

圖8 缺陷長度對幅值的影響

3.4 不同缺陷位置的試驗結果

不同缺陷位置的測試結果見表3。

表3 不同缺陷位置測試結果

由于受一定背景噪聲影響，通過信噪比來比較試樣滾道表面與非滾道表面的測試結果。由表3可知，粗糙表面造成了一定的噪聲干擾，使信噪比降低，但測試結果均符合渦流信噪比不小于3∶1的要求，即在相同條件下，終磨后的軸承非滾道面的表面粗糙度滿足渦流檢測條件。

3.5 不同套圈上缺陷的測試結果

考慮到球軸承與滾子軸承滾道的形狀區別，在相同條件下對2種套圈上的5個相同尺寸缺陷進行測試，結果見表4，2種套圈滾道上的相同尺寸缺陷的檢測結果相近。由此可知，對于材料、熱處理狀態、表面粗糙度一致的球軸承和滾子軸承套圈上缺陷的檢測結果相近[5]。因此，使用小直徑探頭時，可以采用通用對比試樣進行儀器標定及檢測。

表4 不同套圈上缺陷測試結果

4 結論

1)Cr4Mo4V軸承內圈表面缺陷檢測時，合適的檢測頻率為710～909 kHz左右，實際應用時可通過對比試樣測試效果確定具體值。

2)檢測較淺缺陷時，可通過適當增加檢測頻率提高靈敏度。

3)采用自動化工裝檢測時，不受檢測速度影響，缺陷長度、寬度的綜合結果可通過渦流直接反應。

4)可采用遞進深度的人工傷進行檢測標定，通過幅值和相位角的變化反應缺陷深度，該方法對于深度量化評定缺陷等級起重要指導作用。

對于外圈滾道表面缺陷可參考文中的試驗方法和結論。