轴承作为重要的机械基础件，其质量直接决定着机械产品的性能以及可靠性。国家工信部规划司在机械领域“三基”（机械基础件、基础制造工艺和基础材料）产业“十二五”发展规划中明确，指出围绕重大装备和高端装备配套需求，重点发展高速、精密、重载轴承。
轴承作为机械装置中最常用也最重要的零部件之一，其失效将直接导致设备故障、生产受阻甚至是人员伤亡。据统计，在旋转机械的现场故障中，由于轴承套圈损伤而引起的故障大约占30％，其中大约90％的故障来自轴承套圈的裂纹。因此提高轴承套圈的裂纹检测能力尤为重要。
目前，轴承套圈检测方法主要有磁粉检测法、超声检测法、涡流检测法、机器视觉法、巴克豪森法、声发射检测法等。其中，磁粉检测法、超声检测法、涡流检测法使用较为普遍。
磁粉检测法检验灵敏度高，缺陷显示直观，不受工件大小和形状的限制，但是操作复杂，生产率低，且对环境有一定污染，磁痕观察需要人工参与，检测结果受检测人员主观意识和操作经验影响，难以践行统一的质量标准；超声检测法在国外使用较为广泛，欧洲已颁布相应检测标准《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超声检测法由于裂纹取向及声耦合对其影响大，难以适应轴承套圈形状，检测精度不高，需要检测者有丰富经验，所以影响了其在国内市场的推广；涡流检测法可实现非接触式检测，但是受工件形状影响大，且结果多以阻抗分析图的形式展现，不直观，多用于轴承圆柱滚子的检测。
为解决轴承生产中出现的实际问题，下面介绍一种基于漏磁原理的轴承套圈裂纹检测方法与装置，可实现轴承套圈的自动化高效检测。
一、检测原理
轴承套圈作为一种精密零部件，其表面质量较高，生产过程中产生的裂纹多呈现出开口窄、长度短、深度浅的特点，属于典型的微小尺寸裂纹检测问题。
1. 轴承套圈的材料、结构、待检测部位及缺陷形式
a. 轴承钢的主要种类
1）高碳铬轴承钢：年产量约占轴承钢总产量的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中GCr15 高碳铬轴承钢由德国于1905年研制成功，得到了广泛应用。
2）渗碳轴承钢：经渗碳处理，兼具表面高硬高耐磨性及内部韧性。在美国的产量约占轴承钢总产量的30％，在中国仅占3％左右。
3）中碳轴承钢：工艺相对简单，且同样达到表面硬化效果，近年来发展较快。
4）不锈钢轴承钢：用于制造在腐蚀环境下工作的轴承及某些部件。
不同材质或是相同材质、不同热处理工艺均会对轴承钢的磁化特性产生巨大影响，不同的磁化特性对应不同的磁化装置参数，本书使用最为广泛的GCr15轴承钢作为研究对象。
b. 轴承套圈的结构及待检测部位 成品轴承一般由轴承外套圈、轴承内套圈、滚子保持架、滚子及附件组成，轴承套圈结构形式较为多样，同一套装备难以同时满足所有类型轴承套圈的检测需求，研究其中使用较为广泛的圆锥滚子轴承套圈具有重要意义，相关研究方法可方便地变通之后推广到其他类型轴承套圈。
如图7-62所示，圆锥滚子轴承套圈为旋转对称零件，外圈可看作由梯形绕中心轴旋转360°而成，上下端面为圆环平面，外表面为圆柱面，内表面为圆锥面；内圈结构稍显复杂，上下端面为圆环平面，外表面主体为圆锥面，沿轴向两端含工艺槽及滚子定位台阶，内表面为圆柱面。
轴承外圈待检测面包含内圆锥面1、外圆柱面2、下端面3和上端面4。轴承内圈待检测面包含外圆锥面1、内圆柱面2、下端面3、上端面4。
c. 轴承套圈的裂纹形式及产生原因
1）材料裂纹：材料裂纹产生的原因主要是内部气泡、严重的非金属夹杂等，沿轧制方向呈直线分布，以表面裂纹或折叠的形式呈现，在内部走向多指向圆心，且折叠裂纹走向与表面近乎平行，漏磁场微弱。
2）发纹：材料表面或近表面毛发状的细小裂纹，由钢锭皮下气泡或夹杂引起。外观细小，一般长1～3mm，目检时不易发现。
3）锻造裂纹：包括锻造折叠裂纹（切料不齐、毛刺、飞边以及操作不当等原因造成）、过烧（锻件温度过高或保温时间过长造成）、湿裂（停锻温度较高，冷却时局部或全部碰到冷却水而急冷）、内裂（锻造时加热速度过快，表面升温高而内部升温慢引起，一般出现在壁厚较大处）。锻造裂纹较粗大，形状不规则，存在锻件表面，磁化时漏磁场较弱，磁痕显示不太清晰，剩磁法检测容易产生漏检。
4）淬火裂纹：因淬火时产生的热应力及组织应力引起，外貌极不规则，多在外径上，严重时延伸到端面，一般较深。
5）磨削裂纹：磨削时冷却不良，瞬时高温引起表面应力集中，即会产生磨削裂纹，主要分布在端面、挡边、滚道、内径及打字处，外径表面较少出现，呈现短、浅、细的特点，与磨削方向垂直或成一定角度。
2. 轴承套圈裂纹漏磁检测系统的特点
轴承套圈裂纹漏磁检测系统的优势在于：可实现上下料、检测、分选、退磁一体化自动化，极大地提高了检测效率，降低了工人的劳动强度。
然而，在具体的工程实施中，存在以下要点及难点：
1）轴承套圈尺寸形状规格繁多，如何实现通用化检测或者实现一定范围内的通用化检测存在工程实施难度。
2）随着轴承套圈加工工艺的提升，轴承套圈表面加工质量越来越高，生产过程中产生的裂纹多呈现出开口窄、深度浅的特点，属于典型的微小尺寸裂纹检测问题，提高磁化能力、提高传感器检测灵敏度及空间分辨力、提高信号处理能力以在较强背景噪声中提取有效信号是关键。
3）轴承套圈尤其是轴承内圈的结构较为复杂，需从结构及布置方式着手，减小提离值并最大限度地覆盖待检测部位。
4）自动化生产线多为流水式，效率高、速度快，因此高速检测工艺应简洁高效，且可以顺畅地与生产线相融合。
3. 轴承套圈漏磁检测的励磁方法与装置
轴承套圈的磁化方式直接和漏磁场信号强弱相关，其选择及设计非常重要。常见的轴承套圈周向磁化方法有中心导体法、直接通电法和绕电缆法，其优缺点见表7-5。
对比之后不难看出，上述方法均不适用于自动化漏磁检测，为此，采用如图7-63所示的轴承周向磁化方法，磁化器由U形铁心缠绕线圈制成，可更换的磁极可以满足不同规格轴承套圈的磁化需求。通过ANSYS仿真可以看出，此种磁化方式在远离磁极的位置可以获得比较均匀的周向磁场，且该磁化器结构可以方便地与流水生产线相结合，便于实现自动化。
选用16种轴承套圈中横截面积最大的27315EK 02轴承内圈，为保证仿真顺利进行，此处对仿真裂纹进行了一定的简化，裂纹尺寸为0.5mm（宽）x0．mm（深）x3.0mm（长），x0.2mm上、下端面各1条裂纹，沿轴向内表面等间距均匀分布3条裂纹，外表面1条裂纹。周向磁化器仿真模型如图7-64所示。
仿真结果如图7-65所示，通过对比可知：
1）上端面和内表面裂纹漏磁场B，分量图像基本吻合，表明在该磁化方式及磁化强度下，上端面与内表面具有较为一致的磁化效果。
2）沿轴向等间距分布的内表面裂纹1、2、3漏磁场分量图像基本吻合，表明在该磁化强度下，内表面磁化一致性较好，与裂纹离磁极的距离无关。
3）下端面裂纹漏磁场B分量图像与外表面裂纹漏磁场B,分量图像基本吻合，但是相比于上端面、内表面强度更小。这是由于下端面壁厚较大，而外表面由于位于套圈外围，距离磁化场较远，且磁场向空气中扩散更为严重。
为了补偿壁厚及套圈高度引起的磁化效果不一致，需要进一步加强磁化强度，使得轴承套圈达到过饱和磁化状态。然而在实际检测过程中，使得轴承套圈各个部分均达到饱和磁化状态需要极多的线圈匝数或极大的磁化电流，对于非定量轴承套圈检测而言，磁化的意义在于使得最苛刻指标的缺陷仍可得到较理想的信噪比即可，磁化效果不一致引起的漏磁场信号不一致可在软件中予以修正。
如图7-66所示，以GCr15（840℃油淬，190℃回火）为例，根据电磁检测原理，将工件磁化至饱和或近饱和状态时，有利于裂纹漏磁场的形成与扩散，取近饱和区的H＝14800A／m点，此时对应的磁感应强度B≈1.125125T。以16种轴承套圈中横截面积最大(533.5n5m㎡)的27315EK 02轴承内圈为例，大约为4075安匝。由于本计算模型没有考虑泄漏到空气中的磁通、磁滞损耗、涡流损耗，因此将计算出的结果乘以安全系数1.1，磁化器εm=NI=4482安匝。线圈匝数为600，选用φ1.7mm铜线绕制而成，通入7.5A的电流即可满足磁化要求。
根据上述计算结果，设计得到如图7-67所示的周向励磁装置，磁极部分可更换以适应不同规格的轴承套圈，磁化器封罩用于保护内部漆包线，封罩上开百叶窗辅助散热，加装轴流式风扇散热以保证磁化器可长期工作。
二、检测探头
图7-68所示为永磁磁轭探头，它主要由磁头、永磁铁S极、永磁铁N极、桥接衔铁及隔片组成，隔片用于调节磁极间距。检测时，“N极→轴承套圈→S极→桥接衔铁”形成磁回路，如遇裂纹，漏磁场将被磁头捕捉。永磁铁尺寸为4mm×10mm×10mm正对轴承套圈，为磁极面。信号放大电路为10×100倍两级放大，软件放大500倍。
如图7-69所示，检测对象为GCr15轴承套圈，大端面刻蚀有宽0.1mm、深0.1mm、长10.0mm的人工刻槽。轴承套圈表面光滑，无锈蚀。
不同磁极间距检测结果对比如图7-70所示。磁极间距15mm时，可检出信号，但信噪比不高，这是由于磁极离磁心过近使之饱和的缘故；磁极间距17mm时，可检出信号，且信噪比最佳；磁极间距19mm时，不能检出信号。永磁体尺寸换为6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正对轴承套圈，为磁极面时，不能检出信号，同理这也是磁心饱和的缘故。
通过上述分析不难发现，含磁心线圈用于检测时，需特别注意磁心饱和的问题，局部磁化在一定程度上降低了磁化成本和磁化难度，但是由于磁化器距离传感器较近，对传感器的影响也较大。
短路磁通损耗与磁心前端气隙宽度g、深度h有关；提离损耗与提离值相关，在实际工程中体现在探头耐磨层厚度及探头机构的设计；低频损耗与裂纹漏磁信号空间分布相关，即与裂纹尺寸及磁化状况相关；气隙宽度损耗与气隙宽度g、裂纹漏磁信号空间分布相关；方位角损耗可归为提离损耗；磁滞损耗可忽略；涡流损耗可以从磁心材料、探头工艺等方面着手降低。
因此，从探头设计的角度出发，主要关注磁心前端气隙宽度g、深度ha。
如图7-71所示，磁头式传感器主要由线圈、两片磁心主瓣、两片磁心旁瓣组成，前端缝隙中垫入不同厚度的POM塑料片即可得到不同的气隙宽度g，气隙深度h。取决于机加工主瓣、旁瓣尺寸。
如图7-72所示，为验证磁心前端气隙深度h。对信号的影响，制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四种磁头式传感器，线圈匝数为400。人工伤的尺寸为（宽）×0.5mm(深）×10.0mm（长）。试验过程中使用的信号放大板为10×100倍，软件放大倍数为500倍。
所得原始信号经5阶 Butterworth 滤波器滤波后，试验结果如图7-73所示，信号峰-峰值与前端气隙深度h。近似成反比，气隙深度越小，越有利于检测，然而气隙深度越小，探头越不耐磨，因此实际的探头制作中，需要在两者之间做平衡取舍。
如图7-74所示，为验证磁心前端气隙宽度g对信号的影响，制作了气隙深度ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六种磁头式传感器，线圈匝数为400。人工伤的尺寸为0.1mm（宽）)x0.5mm深）x10.0mm（长）。试验过程中使用的信号放大板为10×100倍，软件放大倍数为500倍。
试验结果如图7-75所示，气隙宽度mm时，信号峰-峰值Vpp最大；在气隙宽度m时出现了“检测势井”，当气隙宽度m时，信号峰-峰值V在一定范围内呈现出增长趋势。这是由于在该试验条件下，m时气隙宽度损耗最大，因此无法有效检出信号。该结果表明，应用磁头式传感器进行检测时，在裂纹漏磁信号空间分布未知的情况下，应该尽量减小前端气隙宽度g，以防止它与裂纹漏磁场空间分布出现耦合，形成“检测势井”。
如图7-76所示，纵向伤阵列传感器主要由线圈、叠层磁心、隔离片、屏蔽罩组成，探头单元排成两列并沿排布方向两两错开一段距离，以消除单列探头之间的探测盲区。
三、检测装备
整套装备主要分为检测装置、信号采集和处理系统、PLC控制系统、外围供电供气系统、物料传送以及上下料装置五部分。本节的重点在于检测装置、信号采集和处理系统以及高速检测工艺。
1. 总体方案
按照功能划分，轴承套圈裂纹漏磁检测装备可以分为预置、纵向伤检测、剔除、退磁四个主要工位。预置工位为冗余过渡工位，当前可作为轴承套圈检测流程的过渡工位，将来可为周向伤检测装置提供安装平台。装备主体-纵向检测主机主要包括五个部分：轴承套圈驱动装置、磁化装置、阵列探头组件、信号调理采集处理系统以及自动化控制系统。
轴承套圈驱动装置设计要点：以圆锥滚子轴承套圈为研究对象，其形状规整，为圆环形零件，适合旋转检测；表面光洁，不需事先清洁处理；为便于实现工业自动化，不同尺寸规格轴承套圈的检测工位及上下料工位最好一致。综合上述分析，采用轴承套圈原地旋转、探头贴合检测的方式。
根据轴承套圈漏磁检测的特点，拟订轴承套圈高速自动化漏磁检测工艺流程，如图7-77所示。
轴承套圈裂纹漏磁检测装备总体方案如图7-78所示。
2. 检测系统
检测系统主要包括纵向伤检测装置、剔除装置和退磁装置三部分。
如图7-79所示，纵向伤检测装置可划分为工件驱动、规格调整、磁化、压紧、检测和剔除六大主体装置。工件驱动模块的主要部件为驱动电动机、驱动轮L、驱动轮R、万向滚珠托架等。驱动电动机与齿轮直连，经由齿轮组变速、变转矩之后传递给两个驱动轮，在压紧模块的配合下，摩擦带动轴承套圈原地旋转。
规格调整装置主要由手轮、减速机、梯形丝杠、梯形螺母及压紧轴承安装座等构成。如图7-80所示，由于上下料机械手与检测装置之间的距离相对固定，为保证所有规格轴承套圈上下料工位位置相同，更换轴承套圈时，需要调整设备状态。减速机起变速、变向的作用，30°梯形丝杠螺母机构既可传动，也可自锁，压紧轴承安装座上开腰形通孔，可以调整压紧轴承与上下料工位之间的距离，适应轴承套圈规格的变化。
磁化装置主要由磁化线圈、磁极、磁化器固定架和工业风扇等组成。磁极可更换规格，以配合轴承套圈规格的变化。工业现场常常要求设备具有连续工作能力，因此磁化线圈的散热问题需要重视，此处采用轴流式工业风扇散热。
如图7-81所示，压紧装置主要由压紧气缸、压紧轴承安装座、万向滚珠托架和可摆动式压紧总成构成。压紧气缸在检测过程中提供持续的压紧力，万向滚珠托举轴承套圈，减小其在原地旋转过程中的摩擦力，双驱动轮加双压紧轮的设计虽然更加可靠，但是存在过定位的问题，因此压紧模块设计为可摆动式。下端面探头阵列置于压紧轮之间，规格调整时跟随轴承一起移动，可覆盖所有系列轴承套圈下端面。
如图7-82所示，检测装置主要由外表面阵列探头、内表面阵列探头、上端面阵列探头、下端面阵列探头及其动作机构组成。其中，外表面阵列探头由气缸带动，实现贴合及分离工件，连接阵列探头与气缸的零件可拆卸，方便工件规格变化时更换相应的外表面阵列探头；内表面阵列探头铰接于摆臂一端，摆臂由迷你气缸带动，实现贴合及分离动作；上端面阵列探头铰接于浮动导杆一端，浮动导杆内置弹簧，可以适应不同轴承套圈高度的变化并提供持续的压紧力；内表面阵列探头与上端面阵列探头固定在轴承套圈上方的铝型材上，并且可沿铝型材调整位置；铝型材由气动滑台带动，可上下移动。检测前，固定于铝型材上的内表面及上端面阵列探头处于高位，轴承套圈上料到位后，气动滑台动作，内表面及上端面阵列探头处于低位，其中上端面阵列探头贴紧上端面。随后，迷你气缸动作，经由摆臂带动内表面阵列探头贴紧内表面。下端面阵列探头固定于两压紧轴承之间，可随压紧轴承安装座一起调整，长度方向足以覆盖该系列所有轴承套圈下端面，阵列探头内置弹簧，可实现浮动压紧，内置紧定螺钉，用于调节弹簧压紧力。
如图7-83所示，剔除装置主要由剔除气缸、气缸导杆、分料板和废品收集槽组成。纵向缺陷检测装置检测完毕后，向PLC控制系统反馈相应信息。若轴承套圈检测为合格，则剔除气缸不动作，机械手抓取工件在分料板上方停留一段时间之后运往下一工位（退磁工位）；若轴承套圈检测为不合格，则剔除气缸动作，带动分料板上升，机械手抓取工件将其丢人到废品收集槽中。
3. 高速自动化检测工艺
如图7-84所示，系统采用流水线式工艺流程，预置工位、纵向伤检测工位、剔除工位、退磁工位依次排开，机械手组件将四个工位有机联系起来。
四、现场应用
上述检测系统在现场应用如图7-85所示。
测试样品及测试结果如图7-86与图7-87所示。测试结果表明，轴承套圈裂纹漏磁检测装置具有良好的检测灵敏度与可靠性，检测效率高。
