由(you)加工方(fang)法留下(xia)的(de)(de)表面(mian)痕跡的(de)(de)深淺(qian)、疏密(mi)、形狀和紋理都有差(cha)異(yi)，生產(chan)運(yun)行中產(chan)生的(de)(de)表面(mian)痕跡更是(shi)千奇百怪。這些微(wei)觀的(de)(de)和宏(hong)觀的(de)(de)幾何(he)不平整在漏磁(ci)(ci)檢(jian)測中均會引起磁(ci)(ci)場泄漏，由(you)此帶來(lai)的(de)(de)背景漏磁(ci)(ci)場信號將會影(ying)響(xiang)微(wei)小裂紋的(de)(de)漏磁(ci)(ci)場測量，并進一(yi)步影(ying)響(xiang)到(dao)漏磁(ci)(ci)檢(jian)測的(de)(de)檢(jian)測極限(xian)。為此，研究表面(mian)粗糙(cao)度(du)對裂紋漏磁(ci)(ci)檢(jian)測的(de)(de)影(ying)響(xiang)具有重要意義。
1. 表面粗糙度(du)試塊
采(cai)用Q235碳素結構(gou)鋼(gang)制作(zuo)試(shi)塊(kuai)，試(shi)塊(kuai)尺(chi)寸長300mm、寬100mm、厚14mm。首先，將(jiang)三塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面利用飛刀進行銑(xian)削加工，如圖1-6所示(shi)，其表(biao)(biao)面粗糙度值從(cong)左到(dao)(dao)右(you)依(yi)次為(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號1、2、3。然后，利用立銑(xian)加工另(ling)外(wai)三塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面，如圖1-7所示(shi)，其表(biao)(biao)面粗糙度值從(cong)左到(dao)(dao)右(you)依(yi)次為(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號4、5、6。另(ling)外(wai)，再采(cai)用平磨加工一(yi)塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面，此(ci)種方式獲得的表(biao)(biao)面質量較(jiao)好，其表(biao)(biao)面粗糙度值為(wei)Ra0.2μm，編號7。所有(you)試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面均刻(ke)有(you)一(yi)組寬度為(wei)20μm，深度不(bu)同的人工線狀缺(que)陷，尺(chi)寸如圖1-8所示(shi)，從(cong)左到(dao)(dao)右(you)深度依(yi)次為(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰缺(que)陷的間距為(wei)70mm。
2. 表面粗糙度對漏磁檢測信號的影(ying)響試驗
檢(jian)(jian)測裝(zhuang)(zhuang)置主要由(you)磁化(hua)器(qi)、檢(jian)(jian)測探(tan)頭(tou)、信(xin)(xin)號采集(ji)系統、上(shang)(shang)位(wei)(wei)機(ji)等部分組成(cheng)，如(ru)圖(tu)1-9所(suo)示(shi)。磁化(hua)器(qi)由(you)兩組線圈(quan)組成(cheng)，檢(jian)(jian)測探(tan)頭(tou)安裝(zhuang)(zhuang)在(zai)(zai)(zai)(zai)兩組線圈(quan)中間，以(yi)保證檢(jian)(jian)測探(tan)頭(tou)所(suo)在(zai)(zai)(zai)(zai)的(de)(de)位(wei)(wei)置磁場分布均勻。探(tan)頭(tou)安裝(zhuang)(zhuang)在(zai)(zai)(zai)(zai)一T形支(zhi)架上(shang)(shang)，T形支(zhi)架固定在(zai)(zai)(zai)(zai)兩組線圈(quan)上(shang)(shang)方。鋼板在(zai)(zai)(zai)(zai)支(zhi)撐(cheng)輪(lun)的(de)(de)驅動(dong)下做勻速運動(dong)，在(zai)(zai)(zai)(zai)移(yi)動(dong)過程中，試塊始終與探(tan)頭(tou)保持緊密貼合。檢(jian)(jian)測探(tan)頭(tou)將磁場信(xin)(xin)息(xi)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)信(xin)(xin)號，并由(you)采集(ji)卡進行(xing)A-D轉(zhuan)換(huan)后進入計算機(ji)，由(you)上(shang)(shang)位(wei)(wei)機(ji)軟件進行(xing)顯示(shi)。
a. 表面(mian)粗糙度(du)對(dui)同一深度(du)裂(lie)紋信(xin)噪比(bi)的影響(xiang)
首先，利用平磨試塊7進(jin)行(xing)飽和(he)磁(ci)化下的(de)漏磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)試驗(yan)。試塊的(de)磁(ci)化方向(xiang)垂直于人工線狀缺陷，試塊以恒定(ding)的(de)速(su)度沿磁(ci)化方向(xiang)運動，檢(jian)測(ce)(ce)結果如圖(tu)1-10所示(shi)。
從圖中可(ke)以看出，由于平(ping)磨的(de)表面質量較好，并未帶來明顯(xian)的(de)噪聲信(xin)(xin)號(hao)。另外，信(xin)(xin)號(hao)峰值與缺(que)陷的(de)深(shen)度成正相關規律，當缺(que)陷深(shen)度為20μm左右時(shi)，基本無法檢測出缺(que)陷信(xin)(xin)號(hao)。
保(bao)持試驗(yan)條(tiao)件不變(bian)，獲得1～7號試塊上(shang)70μm缺(que)陷的信(xin)噪(zao)比，如圖1-11所示(shi)，信(xin)噪(zao)比公式(shi)為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中(zhong)，S代表信(xin)號最(zui)大幅(fu)值(zhi)；N代表噪聲最(zui)大幅(fu)值(zhi)。
分析圖(tu)1-11曲線變化規(gui)律可(ke)知，對于深度為70μm的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)，隨著表(biao)面(mian)粗糙(cao)度值(zhi)的(de)(de)(de)(de)不(bu)斷增(zeng)大，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比逐漸降(jiang)低(di)。其中，在(zai)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度值(zhi)Ra=12.5μmm的(de)(de)(de)(de)3號(hao)和6號(hao)試塊(kuai)上，缺(que)陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比非常低(di)，已經不(bu)能(neng)清晰(xi)分辨出缺(que)陷(xian)信(xin)(xin)號(hao)。在(zai)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度值(zhi)Ra＝3.2μm的(de)(de)(de)(de)1號(hao)和4號(hao)試塊(kuai)上，缺(que)陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比較(jiao)高，而平磨(mo)試塊(kuai)上同等深度的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比最高。由此可(ke)見(jian)，對于微小缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)，表(biao)面(mian)粗糙(cao)度會直接影響檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)噪比，較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度值(zhi)甚至會帶來漏判或誤判。換言(yan)之，在(zai)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度確(que)定的(de)(de)(de)(de)情(qing)況下(xia)，試件上可(ke)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)深度存在(zai)極限。
b. 表面粗糙度(du)對不同深(shen)度(du)裂紋信噪比(bi)的影響
保持試驗條件不(bu)變(bian)，探(tan)頭以相同(tong)速度掃(sao)查所有試塊，對不(bu)同(tong)深度的裂紋進行漏磁(ci)檢(jian)測。各試塊得(de)到(dao)的缺陷檢(jian)測信號如圖1-12所示。
分析檢測結果，根據式（1-1）得(de)到在不同(tong)表面(mian)粗(cu)糙(cao)度下信號信噪比關(guan)于裂紋深度的關(guan)系(xi)曲線，如圖(tu)1-13和圖(tu)1-14所示。
分析圖1-13所(suo)示飛(fei)刀(dao)銑表面上(shang)不(bu)同(tong)(tong)深(shen)度(du)缺(que)(que)陷的(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比(bi)曲(qu)線(xian)，對于(yu)相(xiang)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)表面粗糙(cao)度(du)，隨著人工(gong)裂紋(wen)深(shen)度(du)的(de)(de)(de)減小，缺(que)(que)陷信(xin)號的(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比(bi)降低。與(yu)此對應，如圖1-14所(suo)示，從(cong)立銑試塊的(de)(de)(de)測試結(jie)果可以看(kan)出(chu)，在一(yi)定(ding)表面粗糙(cao)度(du)下(xia)，裂紋(wen)深(shen)度(du)變化(hua)引起的(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比(bi)變化(hua)趨勢(shi)與(yu)飛(fei)刀(dao)銑試塊基本一(yi)致。但(dan)是，由于(yu)表面加(jia)工(gong)方(fang)(fang)式(shi)的(de)(de)(de)差異，兩組試塊表面峰谷不(bu)平的(de)(de)(de)分布規律并(bing)非完(wan)全一(yi)樣，從(cong)而(er)導致采用(yong)不(bu)同(tong)(tong)加(jia)工(gong)方(fang)(fang)式(shi)形成的(de)(de)(de)相(xiang)同(tong)(tong)表面粗糙(cao)度(du)表面上(shang)的(de)(de)(de)相(xiang)同(tong)(tong)深(shen)度(du)缺(que)(que)陷信(xin)噪(zao)比(bi)不(bu)同(tong)(tong)。
以上(shang)試驗結(jie)果表(biao)(biao)(biao)明，在(zai)(zai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)確定的(de)情況下，存(cun)在(zai)(zai)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)裂紋(wen)極限(xian)深度(du)(du)。如果裂紋(wen)深度(du)(du)小(xiao)于(yu)極限(xian)深度(du)(du)，受信噪比(bi)的(de)影響，漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)靈(ling)敏度(du)(du)將降低。表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)對漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)的(de)影響機理在(zai)(zai)于(yu)，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)引起表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)微觀(guan)峰谷(gu)不(bu)平輪廓(kuo)，在(zai)(zai)兩(liang)種不(bu)同(tong)磁(ci)(ci)導率材料的(de)分界(jie)面(mian)(mian)上(shang)，存(cun)在(zai)(zai)磁(ci)(ci)折射現象，上(shang)凸和下凹的(de)輪廓(kuo)引起了對應表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)上(shang)方磁(ci)(ci)場的(de)不(bu)同(tong)分布。
3. 粗糙(cao)表面的磁場分布(bu)
鐵磁(ci)性材料的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)檢測(ce)機(ji)理通常是(shi)基(ji)于(yu)下(xia)凹型(xing)缺(que)陷(xian)處(chu)的(de)(de)(de)磁(ci)場(chang)泄漏(lou)，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整的(de)(de)(de)檢測(ce)機(ji)理并非(fei)傳(chuan)統簡單(dan)的(de)(de)(de)描(miao)述，如“磁(ci)場(chang)泄漏(lou)”“產生(sheng)漏(lou)磁(ci)信(xin)號”這(zhe)(zhe)(zhe)樣一個(ge)過程。如圖1-15所示，從磁(ci)折(zhe)(zhe)射的(de)(de)(de)角(jiao)度(du)考(kao)慮，漏(lou)磁(ci)檢測(ce)中，缺(que)陷(xian)附(fu)近(jin)的(de)(de)(de)磁(ci)感應強度(du)變化主要是(shi)界(jie)面(mian)(mian)兩側不(bu)(bu)同介質(zhi)的(de)(de)(de)磁(ci)導率差異引起(qi)的(de)(de)(de)。不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)是(shi)由(you)于(yu)界(jie)面(mian)(mian)處(chu)的(de)(de)(de)磁(ci)折(zhe)(zhe)射現象，在凹型(xing)缺(que)陷(xian)如裂紋或腐蝕下(xia)產生(sheng)“正”的(de)(de)(de)MFL信(xin)號，而在小突(tu)起(qi)物(wu)存在的(de)(de)(de)地(di)方，代(dai)表(biao)凸(tu)狀缺(que)陷(xian)則產生(sheng)“負”的(de)(de)(de)MFL信(xin)號。基(ji)于(yu)這(zhe)(zhe)(zhe)兩種情況(kuang)，前者導致上凸(tu)的(de)(de)(de)信(xin)號，后者產生(sheng)一個(ge)凹陷(xian)的(de)(de)(de)信(xin)號。由(you)于(yu)這(zhe)(zhe)(zhe)種凹凸(tu)信(xin)號的(de)(de)(de)存在，當感應單(dan)元沿著(zhu)凹凸(tu)不(bu)(bu)平的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)進行掃查(cha)時，捕獲到的(de)(de)(de)信(xin)號必定影(ying)響最終檢測(ce)結果。在微尺度(du)條件下(xia)，工(gong)件表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)模型(xing)中，緊密相連的(de)(de)(de)“上凸(tu)”部(bu)(bu)分和“下(xia)凹”部(bu)(bu)分會產生(sheng)不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)磁(ci)折(zhe)(zhe)射效(xiao)應，故(gu)采用(yong)這(zhe)(zhe)(zhe)種完(wan)整的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)檢測(ce)機(ji)理。
無論采用哪種加工方法(fa)，受刀具與(yu)零件(jian)間的(de)(de)(de)(de)運動、摩擦，機(ji)床的(de)(de)(de)(de)振動及零件(jian)的(de)(de)(de)(de)塑性變(bian)形等因素的(de)(de)(de)(de)影響，所獲得的(de)(de)(de)(de)工件(jian)表面(mian)都存在微觀的(de)(de)(de)(de)不平(ping)痕跡(ji)，即(ji)為表面(mian)粗糙(cao)度(du)，通(tong)常波距(ju)小于1mm。工件(jian)在使用過程中的(de)(de)(de)(de)磨(mo)損(sun)、腐(fu)蝕介質(zhi)的(de)(de)(de)(de)侵蝕消(xiao)耗(hao)也會(hui)造(zao)成表面(mian)粗糙(cao)，這種較小間距(ju)的(de)(de)(de)(de)
峰(feng)谷所組成的微觀幾(ji)何輪廓(kuo)構成表面紋(wen)理(li)粗糙度，通常采用二維表面粗糙度評定標(biao)準即能基(ji)本(ben)滿(man)足機加工零(ling)件要求(qiu)，常用評定參數(shu)優先選用輪廓(kuo)算術平均偏(pian)差(cha)Ra，能夠直接反映工件表面峰(feng)谷不平的狀態。Ra的定義常通過圖1-16表示。
由Ra的(de)定(ding)義可(ke)知(zhi)，其主要反(fan)映工件(jian)(jian)表面這種峰谷不(bu)平的(de)狀態(tai)，在(zai)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢測中(zhong)，這種峰谷不(bu)平的(de)狀態(tai)會引起工件(jian)(jian)表面磁(ci)(ci)場(chang)強度(du)的(de)分布變化。Ra反(fan)映的(de)是垂直(zhi)于(yu)工件(jian)(jian)表面方(fang)向(xiang)的(de)高度(du)變化，漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢測中(zhong)的(de)垂直(zhi)于(yu)工件(jian)(jian)表面方(fang)向(xiang)對應著缺陷的(de)深度(du)方(fang)向(xiang)，因此建立表面粗(cu)糙度(du)元的(de)簡(jian)化模型可(ke)以(yi)分析工件(jian)(jian)粗(cu)糙表面的(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)分布規律(lv)。
通常采用規則(ze)的(de)(de)三角(jiao)(jiao)形(xing)鋸(ju)齒狀表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)來建立表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模(mo)(mo)(mo)型，模(mo)(mo)(mo)擬(ni)原(yuan)本不規則(ze)的(de)(de)表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)分(fen)布(bu)，便于(yu)定(ding)性和定(ding)量分(fen)析。仿真(zhen)模(mo)(mo)(mo)型的(de)(de)特點是三角(jiao)(jiao)形(xing)表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)緊(jin)(jin)密相連，其(qi)(qi)間無間隙。圖1-17所(suo)示為仿真(zhen)分(fen)析獲得(de)工件及周圍的(de)(de)磁感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)分(fen)布(bu)云圖，表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模(mo)(mo)(mo)型中代表(biao)峰谷的(de)(de)凹凸(tu)三角(jiao)(jiao)形(xing)造成了周圍空間磁感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)的(de)(de)分(fen)布(bu)變化。A區(qu)(qu)域(yu)代表(biao)上(shang)凸(tu)三角(jiao)(jiao)形(xing)表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)，其(qi)(qi)上(shang)方C區(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)磁感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)弱于(yu)該(gai)(gai)區(qu)(qu)域(yu)周圍的(de)(de)磁感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)；與此同時，緊(jin)(jin)鄰下凹三角(jiao)(jiao)形(xing)表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)B的(de)(de)上(shang)方也(ye)存在(zai)區(qu)(qu)域(yu)D，該(gai)(gai)區(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)磁感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)大于(yu)其(qi)(qi)周圍空間的(de)(de)磁感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)。
相(xiang)對于基準面(mian)，提(ti)離0.15mm，拾取(qu)表(biao)面(mian)上(shang)方一(yi)段長度(du)范圍內磁(ci)感應強度(du)水(shui)平分量變化(hua)曲線，如(ru)圖1-18所示。圖中(zhong)仿(fang)真信(xin)號呈現出上(shang)凸(tu)下凹的(de)變化(hua)規律，與圖1-17中(zhong)的(de)磁(ci)感應強度(du)變化(hua)規律一(yi)致。
當(dang)表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)(yuan)的高度(du)(du)(du)與(yu)缺(que)陷深度(du)(du)(du)具有(you)相(xiang)(xiang)同數量級(ji)時，表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)(yuan)引起(qi)的磁(ci)場(chang)變化不可(ke)忽略。若缺(que)陷附近表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)(yuan)產生(sheng)的漏磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)(du)(du)與(yu)缺(que)陷產生(sheng)的漏磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)(du)(du)相(xiang)(xiang)當(dang)時，將難(nan)以分辨出(chu)缺(que)陷信號。
在(zai)(zai)上述仿(fang)真(zhen)模(mo)型(xing)中(zhong)，增加(jia)裂(lie)紋(wen)，仿(fang)真(zhen)計(ji)算得到缺(que)(que)陷(xian)所在(zai)(zai)區域上方的(de)漏磁(ci)場磁(ci)感應(ying)強(qiang)度水平(ping)分量變化曲線如圖1-19所示(shi)。顯然，裂(lie)紋(wen)周圍的(de)表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度元(yuan)產生的(de)磁(ci)噪(zao)聲信(xin)號(hao)，降低了缺(que)(que)陷(xian)的(de)信(xin)噪(zao)比(bi)。當然，在(zai)(zai)實(shi)際生產過(guo)程中(zhong)，可根據圖1-19 粗(cu)糙(cao)(cao)表面(mian)(mian)裂(lie)紋(wen)上方漏磁(ci)場磁(ci)感應(ying)強(qiang)度水平(ping)分量分布表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度引(yin)起的(de)信(xin)號(hao)特征，采(cai)用(yong)合適(shi)的(de)濾波算法去除噪(zao)聲信(xin)號(hao)，以提(ti)高信(xin)噪(zao)比(bi)。
