轮毂轴承旋压面的漏磁检测

李二龙，康宜华，杨芸，刘海峰，王大平

（1.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074；2.重庆长江轴承股份有限公司，重庆 401336）

轮毂轴承是汽车的关键零部件，第3代轮毂轴承采用旋压工艺进行装配，装配后轴承的整体性好，安装维护便捷，在汽车工业中得到了广泛应用［1-4］。但轮毂轴承在旋压加工中易产生裂纹，为提高汽车安全性能，对轮毂轴承旋压面进行无损检测具有重要意义。

轴承的无损检测主要有超声、磁粉、渗透、漏磁和涡流等方法［5-9］：旋压面是一个空间曲面且裂纹深度浅，超声波检测难以适应；旋压后轴承内部封装有润滑油，磁粉检测磁悬液会破坏轮毂轴承内部油脂；而使用仿形包络的涡流探头仅能检测外表面裂纹，难以发现材料内部和旋压背面缺陷；漏磁检测因精度高、易实现自动化等特点被广泛应用［10-11］。

因此，提出一种采用仿形包络的磁化器和检测探头阵列实现轮毂轴承旋压面漏磁的探伤方法［12］，配合机械和控制系统实现自动化探伤，既能检测轮毂轴承表面缺陷，又可探知材料内部和旋压背面缺陷。

1 检测方法

1.1 旋压面缺陷分析

第3代轮毂轴承内圈零件的旋压过程如图1所示。旋压过程中旋铆头与轴承内圈始终保持单点接触，旋压圆角位置变形为轴向弯曲和径向延展，易产生斜向裂纹；旋压外圆位置变形主要为周向延展，易产生径向裂纹。旋压面金属最大变形区域为旋压外圆位置，此处金属受周向拉应力较大，易产生径向裂纹。

图1 旋压工艺图纸Fig.1 Diagram of spinning process

轴承在生产运输过程中与工装零件之间发生磕碰也可能造成旋压面产生表面浅裂纹，如图2所示。因磕伤产生的小缺陷虽不影响轴承使用，但如果数量较多，仍会降低轴承表面质量，带来安全隐患。

图2 轮毂轴承旋压裂纹Fig.2 Spinning crack on hub bearing

1.2 漏磁检测方法

轮毂轴承旋压过程中旋压面易产生径向和斜向裂纹，且裂纹在表面和旋压背面均有分布，使用漏磁法能够检测出旋压表面、材料内部和旋压背面的缺陷，检测结果准确可靠且检测精度高，可发现旋压面微小裂纹。

漏磁检测原理如图3所示，当铁磁性构件被外加磁化器磁化饱和后，如果构件上存在腐蚀或机械损伤等缺陷，磁力线会泄漏到构件外部，从而在构件表面形成漏磁场。在工件表面放置磁场传感器，即可探测到该漏磁场。

图3 漏磁检测原理示意图Fig.3 Diagram of MFL detection principle

1.2.1 磁化方法与磁化器

旋压面为空间回转曲面，空间曲面上的磁力线易发生扭曲，形成不均匀磁场。根据漏磁探伤原理，磁化场应使得被检局部区域饱和，且磁力线方向垂直于裂纹走向。结合轮毂轴承的结构特点，采用U形磁轭磁化方法，增加与旋压面啮合的极靴导套，形成周向磁化场，磁化轮毂轴承旋压面，该磁化器结构如图4所示。两磁极之间的距离为d1，旋压面与极靴导套之间的距离为d2，其中d1＝15 mm，d2＝1.5 mm。

图4 包络旋压面的磁化器Fig.4 Magnetizer of enveloping spinning surface

两磁化线圈匝数各为100，通入4 A直流电，有限元法计算得到旋压面磁力线的走向如图5所示。从图中可以看出：磁力线通过极靴导套集中到旋压面上；在两磁极间，磁力线与轮毂轴承径向垂直；在两磁极对称中心截面上，磁场的立面分布云图如图6所示，在探伤的局部圆环区域形成了均匀励磁场。

图5 旋压面磁力线走向Fig.5 Trend of magnetic field lines on spinning surface

图6 中心立面上磁场的分布云图Fig.6 Distribution contours of magnetic field on center facade

不同规格轮毂轴承旋压面的几何形状不同，且同一条生产线上可能生产多种规格的轮毂轴承，因此，磁化器设计成U形磁轭与极靴导套分离的2部分，通过更换极靴导套，可解决多规格的适应性问题。

1.2.2 漏磁检测探头阵列

轮毂轴承旋压面上的探测裂纹深度浅、宽度窄，在产品质量认证中通常将裂纹深度大于0.1 mm的产品判定为不合格品。微裂纹形成的漏磁场微弱，同时随提离值的增大衰减剧烈。感应线圈、霍尔元件的测点提离值大；磁阻磁头、巨磁阻磁头在强背景磁场下会饱和。因此，采用微小磁头拾取旋压面微弱漏磁场。

为保证每个磁头的检测位置稳定可靠，将磁头封装在探头靴内部，探头靴弧面与旋压曲面包络啮合，如图7所示。合格的旋压面几何形状误差应小于0.6 mm，每个磁头背面安装独立的浮动机构，确保每个磁头与旋压面紧密贴合。在探头靴上加工不同方位的方形滑槽，使磁头浮动时磁头位置也保持在旋压面法向方向上。

图7 微小磁头Fig.7 Tiny magnetic heads

检测中，每个磁头扫查旋压面的一段周向回旋环面，阵列磁头覆盖全部探测面。在探头靴的两侧分别布置交错的磁头，消除阵列磁头间的间隙漏检。

2 自动化漏磁探伤装置

轮毂轴承自动化漏磁探伤装置可实现自动化输料检测、探伤数据分析和废品剔除3个功能。探伤后轴承剩磁应低于4 Gs，因此需增加退磁工位。自动化轮毂轴承漏磁探伤装置如图8所示，检测工位采用探头静止不动、轴承周向旋转的方式实现探头全覆盖扫查，共分为进料、检测、分料、出料4个工位，退磁安排在分料工位后。

图8 轮毂轴承漏磁探伤主机Fig.8 Magnetic leakage flux inspection host for hub bearing

2.1 自动化输料检测平台

在进料位置，采用与轮毂轴承大凸缘配合的圆弧面实施定位，利用磁化器电磁力实施抓取，将轴承吸附到磁化器上，通过竖直气缸带动轴承上移，翻越定位挡圈。第1级平移气缸带动轴承停留在检测工位，此时轴承与磁化器通过端面定位凸缘保持同心，在轴承下方布置驱动拨杆，带动轮毂轴承自带螺栓驱动轴承内圈转动，实现探头相对旋压面的周向扫查。使用拨杆驱动轴承不需要保证拨杆与轴承同心，在转动过程中定位凸缘始终与轴承外圈配合，降低了装配和机加工难度。在退磁线圈上安装推料拨杆，在退磁气缸移动过程中同步将轴承推送至下一工位。

检测流程如图9所示，初始位置气缸均处于收回状态。第1级平移气缸与励磁装置连接，横移气缸缸体与退磁装置连接。第2级平移气缸同时伸出，励磁线圈和退磁线圈分别到达进料工位和废品工位；2个竖直气缸同时伸出，励磁器和退磁器下降到轴承端面位置；对励磁线圈和退磁线圈通电，利用电磁力将轴承吸附到励磁器上，退磁器开始工作；收回励磁器竖直气缸和第1级平移气缸，带动轮毂轴承到检测工位，拨杆电动机转动，开始检测；检测完毕，第2级平移气缸收回，通过退磁线圈上的拨杆带动轮毂轴承运动到出料工位；励磁器竖直气缸伸出，励磁器断电，电磁力消失，轴承脱离励磁器；2个竖直气缸同时收回到初始位置；根据检测结果判定被检样品是否合格，若为不合格品，废品气缸动作，通过拨杆带动轮毂轴承进入废品通道，若为合格品，等待退磁器退磁并进入出料通道。

图9 检测流程示意图Fig.9 Flow chart of detection

该装置实现了探伤运动一体化，励磁器通过强磁场将轮毂轴承旋压面磁化饱和，并利用电磁力实施抓取，在平移过程中实现轴承工位转换，利用励磁线圈通、断电实现轴承取料与放料。在退磁线圈侧面安装拨料杆，轮毂轴承在废品工位和出料工位，退磁线圈均保持工作状态，退磁时间长，退磁效果好。检测工位拨杆电动机转速为 60 r／min，检测时间为 3 s，轴承工位转换和检测过程总时间为12 s。第3代轮毂轴承手动生产线装配单个轴承时间为15 s，装配节拍约为25 s。

2.2 探伤数据分析

使用人工刻槽样件、自然缺陷样品、微小磕伤样品以及体积型损伤样件进行试验，其中，旋铆头异常工作时，会使零件部分材料粘接在旋铆头上，造成体积损伤。各个样品如图10所示，人工刻槽深0.05 mm、宽0.20 mm；自然缺陷样品为旋压过程中产生的废品；自然裂纹深度大于人工刻槽深度；微小磕伤和体积型损伤深度浅，使用10倍放大镜方可观测。由于内部、旋压背面缺陷难以观察，无法获得相应图片，因此，未对材料内部、旋压背面缺陷的检测结果进行详细描述。

图10 样品及缺陷Fig.10 Samples and defects

调整软件增益，得到的检测信号如图11所示，图中实线为报警门限。轮毂轴承旋转4周，检测系统得到了4次异常波形。从检测波形中可以看出，自然缺陷检测信号的峰峰值最大，人工刻槽检测信号的峰峰值次之，微小磕伤及体积损伤检测信号峰峰值最小，检测信号峰峰值与缺陷大小之间一一对应，说明检测信号可以较好地反应轮毂轴承旋压面的缺陷大小。

图11 样品测试信号Fig.11 Test signals of sample

旋铆机出现异常时，易导致旋压面表面粗糙度值增大，此时检测信号虽未超过报警门限，但其基波较大（图12），检测信号能较好的反应旋压表面质量状况。采用高灵敏度微型磁头能够拾取到微小缺陷产生的漏磁场，达到快速、准确地探伤目的，用户可根据检测信号提示，及时维护旋铆机，消除安全隐患。

图12 旋铆头异常检测信号Fig.12 Abnormal detection signal of rotary riveting head

2.3 废品剔除

为满足轮毂轴承旋压面自动化漏磁探伤的需求，应通过软件自动分析漏磁探伤信号，将不合格品剔除。本装置通过对比标准缺陷（深0.05 mm、宽0.20 mm）漏磁检测信号，采用信号增益软件结合门限设定对检测产品进行判定，即调整增益使得标准件漏磁检测信号峰值为3 V，设定报警门限为2 V。检测过程将漏磁检测信号峰值高于报警门限的产品判定为不合格品，并驱动废品气缸动作，将不合格品推至废品料道，合格品退磁后自动进入下一工序。

3 结束语

使用漏磁法对轮毂轴承旋压面进行检测，使用周向磁化法在旋压面缺陷位置形成漏磁场，通过单点浮动阵列组合精密磁头拾取旋压面微弱漏磁场信息，结合探伤运动一体化平台，通过软件门限设定、判定被检产品是否合格，自动化剔除有缺陷的产品。该漏磁检测装置结构简单、检测精度高、运行过程稳定可靠，对保障轮毂轴承质量具有重要意义。