渦流法檢測(cè)軸承內(nèi)圈滾道表面缺陷研究

張凱勝，王歡，趙燕

(中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

航空軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)軸承套圈滾道表面或次表面存在裂紋或細(xì)微缺陷時(shí)，在高載荷，高旋轉(zhuǎn)精度,高轉(zhuǎn)速的交變應(yīng)力作用下，滾道易產(chǎn)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(nèi)部缺陷可通過(guò)水浸超聲法檢測(cè),但對(duì)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(guò)熒光磁粉來(lái)檢測(cè)。雖然該方法檢測(cè)表面缺陷靈敏度高，但在操作和缺陷判定時(shí)有一定人為因素影響，存在漏檢，且對(duì)于缺陷嚴(yán)重程度無(wú)法量化。隨著主機(jī)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(guān)注重點(diǎn)，采用機(jī)械夾持套圈旋轉(zhuǎn)，探頭步進(jìn)，軟件采集檢測(cè)信號(hào)的檢測(cè)方法加強(qiáng)對(duì)軸承滾道的質(zhì)量控制十分必要。

我公司開(kāi)展了采用渦流法控制滾道缺陷的試驗(yàn)工作，在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承上采用EEC-39RFT+智能全數(shù)字八頻遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀，配合使用可檢測(cè)覆蓋整個(gè)滾道的仿形探頭，通過(guò)手動(dòng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)深0.05 mm當(dāng)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(cè)單一尺寸滾道的問(wèn)題，而且手動(dòng)方式檢測(cè)存在提離效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)、重復(fù)性及通用性差的問(wèn)題，且檢測(cè)靈敏度也需要提高。

鑒于此，現(xiàn)采用探頭機(jī)械夾持，在半自動(dòng)檢測(cè)機(jī)械裝置下對(duì)套圈滾道各個(gè)位置進(jìn)行掃查，將該裝置與渦流設(shè)備結(jié)合起來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。用電火花加工人工傷模擬缺陷，研究檢測(cè)參數(shù)及缺陷尺寸對(duì)渦流檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律。

1 渦流檢測(cè)影響因素

渦流檢測(cè)是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ), 應(yīng)用于導(dǎo)電零件表面、近表面裂紋類缺陷的檢測(cè)[2]。影響套圈渦流檢測(cè)效果的因素主要有以下幾種。

1)探頭類型。根據(jù)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(huán)境因素及表面狀態(tài)的影響，采用差動(dòng)式探頭。

2)提離。渦流提離曲線是非線性的，靠近材料表面時(shí)磁場(chǎng)變化量增大;反之，磁場(chǎng)變化量減小。小直徑線圈在很小的提離范圍內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)明顯的提離效應(yīng)，測(cè)試時(shí)可通過(guò)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(yīng)產(chǎn)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(shù)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(dǎo)率及磁導(dǎo)率有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)透入深度的實(shí)際數(shù)值是指渦流密度衰減到表面數(shù)值37%的深度，也稱為集膚深度。當(dāng)超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)透入深度時(shí)，渦流密度太小而不能提供可顯示的信號(hào)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，通常根據(jù)待檢缺陷深度考慮適宜的渦流檢測(cè)頻率。

4)線圈直徑。給定匝數(shù)或輸入功率時(shí)，線圈磁場(chǎng)作用范圍與線圈直徑成正比。因此，檢測(cè)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(huì)使探頭性能和電導(dǎo)率變化，導(dǎo)致測(cè)量值偏離，但通常軸承套圈在制造過(guò)程中檢測(cè)且在室內(nèi)進(jìn)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(guò)程對(duì)套圈表面粗糙度產(chǎn)生影響，粗糙的工件表面相當(dāng)于多個(gè)微小缺陷，整體反映為產(chǎn)生一定的背景噪聲，會(huì)使渦流檢測(cè)的信噪比降低。通過(guò)精細(xì)磨削可降低上述影響。

7)檢測(cè)速度。通常渦流檢測(cè)允許的速度范圍較大，GJB 2908—1997《渦流檢驗(yàn)方法》中要求掃查速度(線圈相對(duì)工件表面的運(yùn)動(dòng)速度)波動(dòng)在±5%以內(nèi)，線圈運(yùn)動(dòng)速度對(duì)渦流大小幾乎沒(méi)有影響[3]。另外，采用滿足驗(yàn)收指標(biāo)的對(duì)比試樣進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)更準(zhǔn)確。

影響因素中溫度、探頭參數(shù)固定，通過(guò)工裝保證不受提離干擾，在不同頻率、掃查速度、缺陷尺寸(長(zhǎng)度、寬度、深度)、表面粗糙度下進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2 試驗(yàn)

2.1 試樣

選用材料為Cr4Mo4V鋼，終磨滾道狀態(tài)的球軸承、圓柱滾子軸承內(nèi)圈各1件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。因軸向?yàn)樵牧宪堉品较?，且滾道加工主要通過(guò)車削和磨削，缺陷產(chǎn)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(nèi)圈上沿垂直滾道周向制作11個(gè)人工傷模擬缺陷，缺陷尺寸(長(zhǎng)度×寬度×深度)及位置見(jiàn)表2。

表1 內(nèi)圈結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 試樣缺陷尺寸及位置

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)原理圖如圖1所示，主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、阻抗式渦流檢測(cè)儀、探頭和機(jī)械掃描器組成，機(jī)械夾持轉(zhuǎn)臺(tái)如圖2所示，夾持轉(zhuǎn)臺(tái)用來(lái)保證探頭與工件的相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)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(dòng)式探頭，有效檢測(cè)直徑為1.5 mm。探頭長(zhǎng)度應(yīng)保證可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滾道表面的垂直掃查，檢測(cè)時(shí)探頭與滾道接觸，探頭端部采用聚四氟乙烯作保護(hù)。

圖1 試驗(yàn)原理圖

圖2 機(jī)械夾持轉(zhuǎn)臺(tái)

2.3 試驗(yàn)方法

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)掃描計(jì)劃啟動(dòng)掃描程序，并發(fā)送運(yùn)動(dòng)軌跡指令至電氣系統(tǒng)；電氣系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)指令驅(qū)動(dòng)掃描器和探頭對(duì)套圈進(jìn)行輪廓跟蹤掃查，其間探頭相對(duì)于套圈表面始終保持恒定的角度和距離；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取探頭位置信息以及渦流探傷儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)與探頭位置信息一一對(duì)應(yīng)、分析。

用圓柱滾子軸承測(cè)試各影響因素對(duì)測(cè)量幅值的影響，并用球軸承來(lái)對(duì)比分析不同類型套圈上相同尺寸缺陷的測(cè)量結(jié)果。因套圈存在剩磁會(huì)影響渦流結(jié)果，在試驗(yàn)前對(duì)套圈進(jìn)行退磁，并使用磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量剩磁，應(yīng)不大于5×10-4T。

3 結(jié)果與分析

3.1 檢測(cè)頻率對(duì)幅值的影響

不同頻率下選取1#～10#缺陷進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示，其中幅值指材料噪聲或缺陷在渦流檢測(cè)下的響應(yīng)，即相對(duì)于原點(diǎn)的幅度增加值。

圖3 不同檢測(cè)頻率下缺陷檢測(cè)結(jié)果

由圖3可知，對(duì)于Cr4Mo4V鋼，渦流檢測(cè)頻率在710～909 kHz時(shí)，各缺陷信號(hào)幅值均相對(duì)較高；頻率大于1 MHz后，各缺陷信號(hào)幅值呈下降趨勢(shì)。雖然這些頻率在檢測(cè)時(shí)均達(dá)到渦流信噪比優(yōu)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(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

3.2 檢測(cè)速度對(duì)幅值的影響

不同轉(zhuǎn)速下缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速整體上對(duì)幅值影響較小，幅值隨轉(zhuǎn)速增加有小幅增大，之后趨于平穩(wěn)。但在轉(zhuǎn)速小于8 r/min時(shí)，3#缺陷的幅值隨轉(zhuǎn)速的增大變化較大，這是由于采用接觸方式檢測(cè)，轉(zhuǎn)速較小時(shí)有一定振動(dòng)干擾。在工裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下可不考慮檢測(cè)速度的影響。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下缺陷檢測(cè)結(jié)果

3.3 缺陷尺寸對(duì)幅值的影響

3.3.1 寬度

選取1#，2#，3#缺陷進(jìn)行測(cè)試，缺陷寬度對(duì)幅值的影響如圖5所示。由圖可知，不同寬度缺陷的幅值區(qū)別較大，缺陷長(zhǎng)度和深度相同時(shí)，寬度越小，則幅值越小，檢出信號(hào)越弱。

圖5 缺陷寬度對(duì)幅值的影響

3.3.2 深度

選取4#，5#，6#，7#缺陷進(jìn)行測(cè)試，缺陷深度對(duì)幅值的影響如圖6所示。

圖6 缺陷深度對(duì)幅值的影響

由圖6可知，缺陷長(zhǎng)度和寬度相同時(shí)，幅值隨著深度的增加逐漸增大。深0.02 mm的缺陷信號(hào)幅值較小，主要因?yàn)榻咏O(shè)備檢測(cè)極限。對(duì)于深0.02 mm的較淺缺陷，提高檢測(cè)頻率可提高其識(shí)別效果，與渦流檢測(cè)理論相符。

渦流檢測(cè)采用交流電，交流電能產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，同時(shí)交流電存在相位，由于渦流探傷時(shí)表面下的感應(yīng)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(duì)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(shì)(相位角增加)，與渦流的相位差隨深度的變化趨勢(shì)相近[4]。

圖7 缺陷深度對(duì)相位角的影響

3.3.3 長(zhǎng)度

選取8#，9#，10#缺陷進(jìn)行測(cè)試，缺陷長(zhǎng)度對(duì)幅值的影響如圖8所示。由圖可知，隨著缺陷長(zhǎng)度增加，幅值相應(yīng)增加，缺陷長(zhǎng)度對(duì)幅值的影響較大，主要是由于缺陷長(zhǎng)度小于探頭的有效檢測(cè)范圍。

圖8 缺陷長(zhǎng)度對(duì)幅值的影響

3.4 不同缺陷位置的試驗(yàn)結(jié)果

不同缺陷位置的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同缺陷位置測(cè)試結(jié)果

由于受一定背景噪聲影響，通過(guò)信噪比來(lái)比較試樣滾道表面與非滾道表面的測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)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(cè)條件。

3.5 不同套圈上缺陷的測(cè)試結(jié)果

考慮到球軸承與滾子軸承滾道的形狀區(qū)別，在相同條件下對(duì)2種套圈上的5個(gè)相同尺寸缺陷進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4，2種套圈滾道上的相同尺寸缺陷的檢測(cè)結(jié)果相近。由此可知，對(duì)于材料、熱處理狀態(tài)、表面粗糙度一致的球軸承和滾子軸承套圈上缺陷的檢測(cè)結(jié)果相近[5]。因此，使用小直徑探頭時(shí)，可以采用通用對(duì)比試樣進(jìn)行儀器標(biāo)定及檢測(cè)。

表4 不同套圈上缺陷測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1)Cr4Mo4V軸承內(nèi)圈表面缺陷檢測(cè)時(shí)，合適的檢測(cè)頻率為710～909 kHz左右，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可通過(guò)對(duì)比試樣測(cè)試效果確定具體值。

2)檢測(cè)較淺缺陷時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)增加檢測(cè)頻率提高靈敏度。

3)采用自動(dòng)化工裝檢測(cè)時(shí)，不受檢測(cè)速度影響，缺陷長(zhǎng)度、寬度的綜合結(jié)果可通過(guò)渦流直接反應(yīng)。

4)可采用遞進(jìn)深度的人工傷進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定，通過(guò)幅值和相位角的變化反應(yīng)缺陷深度，該方法對(duì)于深度量化評(píng)定缺陷等級(jí)起重要指導(dǎo)作用。

對(duì)于外圈滾道表面缺陷可參考文中的試驗(yàn)方法和結(jié)論。