薄環(huán)開(kāi)口零件中空氣間隙對(duì)磁粉檢測(cè)結(jié)果的影響

(中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司，常州 213022)

對(duì)于結(jié)構(gòu)閉合的環(huán)狀零件，通常采用中心導(dǎo)體法對(duì)其進(jìn)行磁粉檢測(cè)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度也采用經(jīng)典方法進(jìn)行計(jì)算。

但在生產(chǎn)中，常遇到另一類(lèi)環(huán)狀零件，其結(jié)構(gòu)并不完全閉合，而留有一個(gè)較大的空氣間隙。由于空氣間隙的存在，零件磁路結(jié)構(gòu)的參數(shù)會(huì)發(fā)生較大的變化。如果采用常規(guī)的磁化方法，則會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度太小，使得缺陷處的磁痕顯示不清晰[1]。

生產(chǎn)中遇到這種情況時(shí)，必須根據(jù)零件的使用要求，找出影響磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的因素并改變磁粉檢測(cè)工藝，才能滿(mǎn)足零件磁粉檢測(cè)的要求。

筆者以某產(chǎn)品擋圈零件的磁粉檢測(cè)為例進(jìn)行說(shuō)明，得出空氣間隙對(duì)其磁粉檢測(cè)結(jié)果的影響，并提出了解決辦法。

1 磁路分析

薄環(huán)開(kāi)口擋圈零件的結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，其為一個(gè)中間有較大空氣間隙的薄形環(huán)狀零件。該擋圈零件的作用是在軸上固定其他組合零件，防止其他零件在使用中產(chǎn)生滑移。根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，擋圈零件最大直徑在100 mm左右，厚度均在5 mm左右。其材料為65Mn彈簧鋼，熱處理工藝為820 ℃油淬，420 ℃回火[3]。

圖1 薄環(huán)開(kāi)口擋圈零件結(jié)構(gòu)示意

從零件使用要求可以看出，影響產(chǎn)品失效的原因是斷裂。這種斷裂的方向通常是徑向的，即缺陷與圓環(huán)的切線(xiàn)方向垂直或成一個(gè)較大的角度。為此，檢測(cè)磁場(chǎng)的方向應(yīng)該與缺陷垂直或成一個(gè)較大的角度[4]。對(duì)該薄環(huán)開(kāi)口擋圈零件來(lái)說(shuō)，應(yīng)該采用與環(huán)方向一致的中心導(dǎo)體周向磁化方法,這種磁化方法能發(fā)現(xiàn)環(huán)面內(nèi)外壁上的縱向缺陷和環(huán)側(cè)壁上的徑向缺陷[5]。

但是，開(kāi)口或不開(kāi)口的零件不能采用相同的磁化規(guī)范,而且兩者之間還存在著相當(dāng)大的差異。

用磁路對(duì)圖1所示的薄環(huán)開(kāi)口擋圈零件進(jìn)行分析，磁路上各段的長(zhǎng)度L與其磁場(chǎng)強(qiáng)度H的乘積為磁壓，并且各分段磁壓之和與磁路中電流產(chǎn)生的磁勢(shì)Fm相等，即

H1L1+H2L2+…+HnLn=NI(1)

∑HiLi=Fm(2)

式中：N為線(xiàn)圈的匝數(shù);I為線(xiàn)圈的電流。

依據(jù)以上原理，對(duì)開(kāi)口擋圈進(jìn)行中心導(dǎo)體法磁化，再對(duì)整個(gè)磁路進(jìn)行分析。設(shè)開(kāi)口擋圈空氣間隙為12 mm，厚度為2 mm。其磁路總長(zhǎng)度L按外徑近似計(jì)算為0.157 m。

(1) 如果擋圈沒(méi)有12 mm的空氣間隙, 整個(gè)零件是閉合回路, 標(biāo)準(zhǔn)GJB 2028-1994《磁粉檢驗(yàn)》中規(guī)定“當(dāng)連續(xù)檢查時(shí),施加在零件上任何部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度切向分量應(yīng)達(dá)到2.4 kA/m”，選擇的磁化規(guī)范應(yīng)為I=8D=400 A。依據(jù)式(2)可知

Fm=NI=HiLi=2 400πD(3)

式中：D為圖1中的φ50 mm。

中心導(dǎo)體磁化可視為1匝線(xiàn)圈對(duì)零件的磁化，則I也約為400 A。從材料的磁化曲線(xiàn)中查得，此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B約為1.2 T，相對(duì)磁導(dǎo)率μr約為400。

相應(yīng)的磁化磁動(dòng)勢(shì)為380 A·匝(中心導(dǎo)體磁化可視為單匝線(xiàn)圈對(duì)零件的磁化)，與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相符。

(2) 該擋圈磁路中有12 mm的空氣間隙，則整個(gè)磁路參數(shù)就發(fā)生了大的變化。磁路由原來(lái)的單一材料變成了兩種。磁路長(zhǎng)度也變成了L=L1+L0,其中L1=L-L0=0.145 m(L0=0.012 m)。

設(shè)空氣間隙中的磁場(chǎng)近似均勻，則：B0≈B1。由于空氣間隙的相對(duì)磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率相近，故μr0=1，材料磁導(dǎo)率的比值為1/400。

要使空氣間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0也達(dá)到擋圈材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1，也就是說(shuō)空氣間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0[6]應(yīng)為

H0μr0=H1μr=B1(4)

加在空氣間隙上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

H0=H1μr/μr0=9.6×105(5)

而此時(shí)的總磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)為

Fm=H1L1+H0L0=11 868(6)

若采用中心導(dǎo)體法，則要約12 000 A電流才能滿(mǎn)足檢測(cè)要求，該電流約為原來(lái)電流的30倍。若仍采用原I=8D的方法計(jì)算，則圖1所示的薄環(huán)開(kāi)口擋圈零件部分磁化將嚴(yán)重不足，會(huì)使缺陷處的磁痕顯示不清晰，甚至可能造成漏檢。其原因是空氣間隙造成了大的磁阻，消耗了過(guò)多的磁能量，造成薄環(huán)開(kāi)口擋圈零件得不到充分的磁化。另外，設(shè)備也無(wú)法滿(mǎn)足磁化的要求。

2 磁化工藝優(yōu)化

由于磁化能量消耗主要是由空氣間隙影響的，因此可以設(shè)想采用鐵磁材料填充空間，以縮短空氣間隙長(zhǎng)度的方法來(lái)改變磁阻，進(jìn)一步優(yōu)化磁化參數(shù)。

以鐵磁材料穿過(guò)兩孔連接零件，使薄環(huán)開(kāi)口擋圈零件形成一閉合鐵磁回路(忽略連接處的間隙)，應(yīng)該是能改善磁化參數(shù)的。

用線(xiàn)切割的方法在擋圈零件上制作了7條人工缺陷，人工缺陷的位置及深度示意如圖2所示?？紤]薄環(huán)開(kāi)口擋圈零件的表面狀態(tài)，采用連續(xù)法熒光磁粉檢測(cè)。

圖2 擋圈零件上人工缺陷的位置及深度示意

(1) 采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的I=8D=8×50=400 A，對(duì)薄環(huán)開(kāi)口擋圈零件(不閉合狀態(tài))用中心導(dǎo)體法磁化，在暗室中觀察,得到1，7號(hào)缺陷不顯示，2，3號(hào)缺陷顯示不清晰，4，5，6號(hào)顯示比較清晰的結(jié)果。

(2) 用鐵絲將間斷處連接起來(lái)，仍采用I=400 A對(duì)閉合擋圈零件進(jìn)行中心導(dǎo)體法磁化，在暗室中觀察的結(jié)果是1～7號(hào)缺陷均顯示清晰。

(3) 采用同樣的方法對(duì)不同直徑的擋圈制作同樣的人工缺陷，得到的結(jié)果是相同的。

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“主導(dǎo)科技學(xué)生優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”由成都主導(dǎo)科技有限責(zé)任公司于2014年設(shè)立并冠名贊助，截至2017年共有60多名海內(nèi)外學(xué)生獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。

主導(dǎo)科技成立于2000年，專(zhuān)注于超聲、相控陣超聲、光電和圖像檢測(cè)技術(shù)在鐵路安全關(guān)鍵部件的檢測(cè)研究，生產(chǎn)的系列自動(dòng)化檢測(cè)和探傷設(shè)備廣泛應(yīng)用于鐵路軌邊檢測(cè)、在役輪軸檢測(cè)和廠(chǎng)修落輪檢測(cè)中，是鐵路行業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的領(lǐng)先者和主要監(jiān)測(cè)設(shè)備供應(yīng)商。主導(dǎo)科技與西南交通大學(xué)無(wú)損檢測(cè)研究中心和光電工程研究所密切合作，為中國(guó)高鐵、機(jī)車(chē)、車(chē)輛和地鐵提供可靠的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)服務(wù)。

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通過(guò)以上試驗(yàn)可以說(shuō)明：開(kāi)口環(huán)形零件在磁化時(shí)，應(yīng)該考慮空氣間隙對(duì)磁化結(jié)果的影響。由于空氣間隙的存在，增大了磁路的磁阻，在間隙處產(chǎn)生了大的磁壓降，造成零件上的磁化不足，使得某些細(xì)微缺陷不能很好地檢測(cè)出來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 文中的磁路計(jì)算是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，由于磁路計(jì)算不能像電路計(jì)算那樣精確，影響因素也較多，故結(jié)果只能在磁粉檢測(cè)的磁化工藝分析時(shí)用作參考。

(2) 由于受到加工人工缺陷設(shè)備局限性的影響，如線(xiàn)切割的鉬絲直徑太大，而無(wú)法制作出更精確的人工缺陷，空氣間隙對(duì)磁路中的磁動(dòng)勢(shì)影響的試驗(yàn)結(jié)果比計(jì)算結(jié)果要小。

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