2014年汽车工业经济运行情况数据显示，2014年我国累计生产汽车2372.29万辆，同比增长7.3％，销售汽车2349.19万辆，同比增长6.9％。汽车轮毂轴承是汽车生产的必备零部件，按照平均1辆汽车使用4个轮毂轴承来估算，2014年全国消费的汽车轮毂轴承将近1亿个。由此可见，汽车轮毂轴承的市场十分庞大，这也为轮毂轴承相关配套产业带来了很大商机。
轮毂轴承单元汽车结构中，除了要具备轴承应有的支承旋转轴的作用外，还肩负着保证底盘的结构强度及刚度等任务。当轮毂轴承发生早期失效时，轮毂轴承的振动和噪声将明显增强，结果就是汽车行驶过程中会有强烈的震颤感，并且有较大的噪声产生。而在目前广泛使用的第三代汽车轮毂轴承中，存在失效风险的重要部位之一是轮毂轴承的旋压面。由于旋压成形面的作用是保证轴承内外圈的紧密连接，因此一旦旋压面出现断裂事故，将导致轴承的内外圈分离，进而导致车轮与车体的分离，这将导致十分严重的事故。因此，及时准确地发现轮毂轴承旋压面上的裂纹对于车辆行驶安全性具有十分重要的意义。一方面，汽车轮毂轴承的旋压面对轴承的结构强度十分重要；另一方面，从公开的资料看，国内目前尚无适用于轮毂轴承旋压面无损检测的专业设备。为此，介绍一套专用于汽车轮毂轴承旋压面无损检测的设备。
一、磁化装置
磁化在漏磁检测中是实现检测的第一步，这一步骤决定着被检测对象能否产生出可被检测和可被分辨的磁场信号，同时也左右了检测信号的性能特性和检测装置的结构特性。
磁化装置在漏磁检测系统中的主要作用是对工件施加适当磁场，与缺陷相互作用后产生漏磁场。这个施加的磁场应当满足以下条件：磁场需要足够均匀，从而使得测量信号与缺陷特性之间具有良好的线性关系；磁场必须足够强，从而可以在缺陷处产生一个可被测量的漏磁场；检测范围的磁场幅度必须相同，以保证检测范围内的相同尺寸缺陷产生的信号幅值相同。其中，设计磁化器时，首先要保证能够产生足够强度的漏磁场，其次应当考虑减小磁化器的尺寸和质量，以节约成本并简化设备的结构。
1. 磁化方式
工件的磁化方式按照励磁源来划分主要有三种。直流磁化较为均匀，且能够通过调节励磁电流的大小方便地调整励磁强度，能够把工件有效饱和磁化。交流磁化具有趋肤效应，它的检测深度与磁化电流的频率密切相关，无法激发工件内部或内壁缺陷的漏磁场，不过它对工件表面的缺陷具有很好的灵敏度。永磁磁化法作为励磁磁源时，它的效果相当于固定电流值的直流磁化。
磁化方法按照磁化的形态来分又可以分为穿过式磁化与磁轭磁化。穿过式磁化主要是指将工件置于一个或者多个磁化线圈的轴线上，使磁力线经过工件内部及外部空气后形成一个完整的磁化回路，其优点是结构十分简洁，且磁化器与被磁化工件不需要直接接触。磁轭磁化主要是指利用铁磁性的磁轭结合工件的形状搭建一个理想的磁化回路完成磁化任务，其优点是能够适应多变的工件形状，缺点是磁化的均匀性不如远场磁化。基于轮毂轴承旋压面空间狭小且与其他部件相连的结构特点，磁轭磁化的方法显然更能适应其复杂的形状及检测位置。
2. 磁化装置
a. 磁轭
首先应该确定磁轭的基本形状。根据钢管轴向裂纹磁化的思路，对于旋压面的径向裂纹，初步设计了两种基本的磁轭方案，如图7-35所示。
两个方案理论上都可以在旋压面上施加绕周向的磁场，图7-35a所示为非对称形式，图7-35b所示为对称形式。在磁化线圈的安匝数相同的情况下，图7-35a所示方案会在图中所示的狭窄区形成一片磁场较强的区域，但另一侧的磁场相对来说会明显偏弱，而图7-35b所示方案虽然没有这种聚焦效应，但其优点是磁化场对称分布，这对探头的布置来说很重要。若采用图7-35a所示的方案，则探头只能布置在图中磁场强的位置，如果两侧都布置探头，则会出现检测灵敏度差异。由于旋压面区域本就空间狭小，为了能够充分利用空间进行探头布置，故采用图7-35b所示的磁轭方案。
b. 磁路
磁路分析的目的是依据被磁化工件内部的理想磁化强度，推导出理想的直流磁化线圈的规格和通电电流的选择，两者综合起来就是线圈的安匝数。
图7-36a所示为初步设计的径向裂纹磁化器模型。其中为了简化计算，将轮毂轴承旋压面从轴承整体中分离出来，轮毂轴承的其他部分对磁化的影响将在基本计算结束后予以修正。图7-36b所示为该磁化器模型所对应的等效磁路模型。
等效模型中，εm为磁化线圈的磁动势（即安匝数），Riron为左半边磁轭的磁阻，R'iro为iron右半边磁轭的磁阻，Rair为图7-36a中空气隙的磁阻，Rhub为轮毂轴承旋压面的磁阻，Φ为m干路磁通，Φair为通过空气隙的磁通，Φhub为通过轴承旋压面的磁通。图7-37所示为标准轴承钢GCr15的磁化特性曲线。
取饱和区的磁场强度H=12000A/m作为工件内部目标磁场强度，从图7-37中的B-H曲线可以得到此时工件内的磁感应强度μ-H曲线可以得到此时材料的相对磁导率
磁路中各构件的已知基本参数见表7-3。
轮毂轴承旋压面的横截面积，由此可以算得，基于这一结果，根据磁阻计算公式推导得到表7-4中的参数。
最后算得（安匝）。这是初步计算得到的结果，上述计算是基于旋压面从轮毂轴承整体中分离出来后的简化模型，而实际上旋压面是轮毂轴承内圈的一部分，且旋压面与轴承外圈也有直接接触，因而实际上有相当部分的磁通是从其他部位流过的。根据经验，将计算结果得到的安匝数乘以2之后可以完全保证达到预计的磁化强度，最终确定的安匝数为Einal=28m≈700安匝。
c. 磁化器
先是确定线圈的匝数。在上文的磁路计算中得到的参数依据是安匝数，但并没有确定具体的线圈匝数。在安匝数一定的条件下，线圈的匝数和励磁电流成反比关系。励磁电流偏大时，线圈的发热功率会增大，根据焦耳定律，电流的小幅度增大都会导致发热功率的明显增加，因而在确定励磁线圈的匝数时，应当遵循的原则是：在磁化器体积允许的情况下，尽力增加匝数，从而减小励磁所需的电流，以控制励磁线圈的发热量在安全合理的范围内。这里确定的磁化线圈匝数是400匝，励磁电流小于2A，采用φ1.7mm线径的铜线进行绕制。
其次是线圈的散热问题。缓解线圈的发热问题一般有两大类措施：一类是用热的良导体（一般是金属）将线圈发出的热量分散开来，增加整体的散热面积；另一类是流体冷却法，采用风冷或水冷的方式加速热量的扩散，电气设备中一般用风冷的方法。实际应用中往往两种方法一起使用，采用不锈钢外壳来分散磁化线圈的热量，用风扇来实现风冷。
按照上述原则制作的磁化器实物如图7-38所示。
二、检测探头
1. 轮毂轴承旋压面检测分析
a. 轮毂轴承旋压面检测特点
轮毂轴承旋压面的检测与普通的轴承套圈检测存在着显著的不同。
首先，轮毂轴承旋压面的回转母线为曲线，而普通的轴承套圈端面的回转母线为直线，因而相对来说，实现对轮毂轴承旋压面的全覆盖检测具有较高的难度，轴承旋压面的探靴形状需要契合其回转面的特殊形状，如图7-39所示。
其次，轮毂轴承旋压面各个部位曲率有很大差别，为了确保每个传感器能够准确有效地贴合旋压面，需要设计带有独立浮动功能的传感器阵列，以保证检测的准确性。
b. 旋压面缺陷位置
由于旋压面本身形状较复杂，将其划分为3个差异比较大的部位，并进行命名，如图7-40所示。其中，内圆角面是指旋压面内侧半径为R5mm的圆角部位，这一部位曲率较大；中间平面是指旋压面最上端的平台位置，这一部位近似为平面；外侧坡面为旋压面最外侧部位，这一部位有一定的弧度，但曲率较小。
c. 旋压面缺陷类型
旋压面的基本缺陷类型主要包括裂纹以及旋压面受到磕碰后留下的麻点凹坑类缺陷，其中又以裂纹为最主要缺陷，两种缺陷的示意图如图7-41所示。由于缺陷尺寸较小，因此图中对缺陷的轮廓进行了勾勒，以便清楚地显示缺陷。
裂纹的潜在危害在于，径向裂纹一旦扩展到一定程度，旋压面的整体形状将发生显著改变，使得轮毂轴承内外圈与滚珠之间无法实现无缝隙的贴合，从而造成轮毂轴承内外圈的晃动，产生噪声并影响汽车行驶的稳定性。
凹坑的潜在危害在于，凹坑如果扩展到一定程度，旋压面有可能部分脱落，使得轴承内外圈之间的压紧力显著下降，在一定的载荷下可能造成轴承内外圈分离，也就是说会造成汽车的车轮与车轴分离，后果十分严重。
2. 探头
在漏磁检测中，探头主要肩负着以下功能要求：
a. 保证传感器与被检测对象的良好接触。这一功能主要靠探靴的浮动跟踪能力来实现，不同的传感器以及不同的检测对象对探靴浮动的要求不同，基本的原则是：既要保证传感器保持最佳检测姿态，又要尽量减少运动自由度。
b. 保证一定的提离值。设定提离值的目的是在探头磨损较为剧烈的场合，避免传感器与被检测工件直接摩擦而损坏，而提离值一般由探靴的浮动功能及传感器在探靴内的等距离封装来保证。
c. 保证传感器对工件的覆盖率，实际检测中往往通过布置合适的传感器阵列形成线状检测探头，配合合适的扫查运动，实现对被检测工件的全覆盖检测。
①. 传感器阵列设计 在轮毂轴承旋压面的漏磁检测中，首先要选择合适的传感器阵列以保证传感器对旋压面的全覆盖。基本思路是覆盖旋压面的一条回转母线，如图7-42所示，配合回转扫查运动，即可实现对整个旋压面的全覆盖检测。
设L为旋压面回转母线的长度，l．为单个磁头传感器的覆盖宽度，所需传感器个数为N，若要求传感器覆盖范围之间有20％的重叠率，则应满足下式要求：Nlg≥120%LL。旋压面回转母线的长度L≈12mm，单个磁头传感器的覆盖宽度，则所需的最少传感器个数。由于旋压面的空间非常狭小，传感器密集排列会给探靴制作工艺带来较大难度。为了避免这一问题，采用4个传感器分散布置到旋压面两端的方法，充分利用狭小的空间。
②. 传感器浮动跟踪 除了实现全覆盖检测，试验结果显示，磁头传感器随着提离值的增大，其检测信号输出会迅速减小，因此探头还需要设置浮动功能，以保证每个传感器在检测过程中始终紧贴旋压面，实现最优的检测效果。
要保证每个传感器对旋压面的良好接触，无法采用常见的整体式探靴浮动方案，因为分散式传感器阵列中的每个传感器所覆盖的旋压面部位的曲率不同，因而各个传感器与旋压面的接触状态有很大的差异。要保证每个传感器的有效浮动，只能采用分散式的浮动方案，即为每个传感器配备独立的浮动结构。
为了实现每个传感器的独立浮动，采用如图7-43所示的探头芯体。芯体一侧设计了容纳传感器的开槽，槽底部放置了微型弹簧，能够实现每个传感器的独立浮动，浮动行程达到2mm，由于旋压面的形状精确且表面洁净，这一浮动行程完全能够满足传感器紧贴旋压面的需求。
探头芯体装入探靴壳体，采用胶封工艺后即可获得完整的探头，如图7-44所示。
经过测试，探头与旋压面的贴合状态良好，传感器的浮动结构能够顺畅工作，能够保证平稳的检测。探头贴合状态示意图如图7-45所示。
③. 探头与磁化器一体化 由于旋压面区域空间十分狭小，探头与磁化器在空间上难以分开布置，因此需要进行探头与磁化器的一体化设计。通过协调探靴外壳的厚度与磁化器两极靴间的距离，将探头整体布置在磁化器两极靴之间的位置上，加装固定装置后，成功地实现探头与磁化器的一体化，装置结构如图7-46所示。
三、检测平台
1. 总体方案
轮毂轴承旋压面漏磁检测装置由磁化装置、探头装置、传送装置、采集电路、计算机及采集软件、分选装置和退磁装置组成，总体框架如图7-47所示。
2. 检测平台
按照上述框架，旋压轮毂轴承漏磁检测平台的总体效果图如图7-48所示。
a. 吸紧模块
旋压轮毂轴承在检测过程中需要被准确放置在若干个位置，分别完成扫查、分选和退磁等工序，因而有必要布置一个抓紧模块对旋压轴承进行抓取。利用磁轭式磁化器能够与被磁化工件之间产生很大吸力的特点，直接用磁化器完成抓紧功能。采用这一方法可以使检测平台更加紧凑简洁。一般情况下，磁化器只需要通以1A的电流就可以产生足以克服轴承重力的吸紧力，而在实际的漏磁检测过程中，用来对工件进行磁化的电流一般设定为2～3A，因而这一方案完全可以满足吸紧力要求。在测试过程中发现，在吸紧时若轴承旋压面与磁化器极靴直接接触，则由于两者吸力过大而造成接触面摩擦力过大，轴承与磁化器之间无法相对转动，这不符合后续扫查动作的要求，并且在磁化器断电之后，由于磁化器极靴在一段时间内剩磁较大，造成轴承无法被立即释放，给检测工序的衔接带来不利影响。为了消除这一不良影响，设计了图7-49所示的铝合金材质的定位块，其作用是在磁化器与轴承吸紧时将两者隔开一定距离，避免产生过大摩擦力，同时消除磁化器断电后极靴剩磁对轴承的影响。经测试，加装定位块后，轴承与磁化器可以实现相对转动，且磁化器断电后轴承被立即释放，满足了检测流程的需要。
b. 扫查与分选模块
在探头设计过程中已经用传感器阵列实现了对旋压面回转母线的覆盖，因此扫查机构只需要为轴承提供一个旋转运动即可实现对旋压面的全覆盖扫查。如图7-50所示，本装置利用轮毂轴承内圈法兰上自带的螺钉，用电动机（安装在底板下方）驱动一个旋转拨杆来为轴承提供旋转运动。
在对轮毂轴承旋压面进行检测后，若发现有缺陷工件，需要将其及时分选出来，因而紧接着扫查模块布置了分选模块。分选装置如图7-51所示，采用拨杆式分选，由安装在底板下方的气缸驱动，分选动作可以将疑似带缺陷轴承推入与检测流水线相垂直的缺陷品通道。
c. 传送模块
传送模块包含水平传送与升降传送。水平传送用于完成轴承在各个工位之间的转换，升降传送用于满足具体工位对轴承高度的需要，扫查工位要求轴承处于悬空状态以保证顺畅旋转，分选工位和退磁工位则要求轴承放置在底板上。
在整个检测过程中，轴承需要经过上料工位、扫查工位、分选工位和下料工位共4个工位，即水平方向上轴承要准确地在4个不同位置停留。实现这一功能有两种方案：①. 采用丝杠螺母机构提供水平运动，使用光电感应开关进行位置控制；②. 采用水平布置的串联气缸提供动力，靠各个气缸行程的组合来实现位置控制。
对比两种方案，方案①. 采用电子方式实现位置控制，方案②. 采用机械式位置控制。相对来说，方案②成本更低，可靠性更高，且装置体积可以做得比较小，因此采用后一种方案。
传送装置采用一对行程为200mm的气缸进行串联安装，吸紧装置和退磁器布置在如图7-52所示的位置。为了方便描述，为每个气缸进行了编号，水平气缸为P1和P2，竖直气缸为S1和S2。气缸P1和P2同时伸展时，吸紧装置夹持轴承为位置A（上料工位）；气缸P1伸展P2收缩时，轴承被移动至位置B（扫查工位）；气缸P1和P2同时收缩时，轴承被移动至位置C（分选工位）。一个周期结束后，轴承未被直接送入位置D（下料工位），等待下一周期气缸P1收缩时由安装在退磁器上的拨杆将轴承从位置C推入位置D。气缸S1和S2用于实现吸紧装置和退磁装置的升降，满足各工位中对轴承高度的要求。
3. 检测流程
每个检测周期开始时，气缸P1和P2处于伸展状态，气缸S1和S2处于收缩状态，检测平台的上料工位放置着刚刚被填充进来的待检测轴承K1，分选工位上放置着上一周期已经完成检测的轴承K2，这里假设轴承K1带有可被检测到的缺陷，轴承K2没有缺陷，因而K2在上一检测周期结束后没有被分选装置推入回收箱。检测周期初始状态如图7-53所示。
a. 检测步骤1（图7-54）检测开始，气缸S1伸展，磁化器下降，励磁电流接通，轴承K1被吸紧。
b. 检测步骤2（图7-55）气缸S1收缩，轴承K1被抬起。气缸P2收缩，轴承K1被传送至扫查工位。扫查电动机通电开始扫查，漏磁检测软件启动，采集数据并做出有无缺陷的判断（这里假设K1有缺陷，因此系统将其判定为次品）。气缸S2伸展，退磁器下降与上一周期检测完成的轴承K2接触，退磁器通电，对K2执行退磁工序。
c. 检测步骤3（图7-56）气缸P1收缩，轴承K1被吸紧装置传送至分选工位，轴承K2被退磁器上的拨杆推至下料工位，气缸S1伸展，磁化器和退磁器断电，轴承K1被吸紧装置释放。
d. 检测步骤4（图7-57）气缸S1和S2收缩，由于系统将轴承K1判定为次品，分选装置接收命令将轴承K1推入到次品回收通道。
e. 检测步骤5（图7-58）气缸P1和P2伸展，磁化器和退磁器回归到原始位置，下一个被检测的轴承K3被装填到上料工位，等待下一个检测周期。
四、现场应用
本检测设备的验收标准为实现对0.20mm宽、0.03mm深裂纹的检测，为此，制作了刻有0.20mm宽、0.03mm深贯穿式裂纹的测试样品进行试验，如图7-59所示。
完成对检测平台的组装后，在设备使用现场进行了样品检测试验，检测设备与测试信号分别如图7-60和图7-61所示。
从图7-61所示的检测信号可以看出，该检测设备在现场对测试样品的裂纹能够准确检出，信号清晰可辨，加入补偿比例后，一致性良好，满足轮毂轴承漏磁检测要求。
