由(you)加工方法留下的(de)(de)表(biao)面痕(hen)跡(ji)的(de)(de)深淺、疏密、形狀和紋(wen)理都(dou)有差(cha)異，生產運行中產生的(de)(de)表(biao)面痕(hen)跡(ji)更是千奇(qi)百(bai)怪。這些微(wei)觀的(de)(de)和宏觀的(de)(de)幾(ji)何不平整(zheng)在漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢測(ce)(ce)中均會引起磁(ci)場泄(xie)漏(lou)(lou)(lou)，由(you)此帶來的(de)(de)背景漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)場信號將會影(ying)響微(wei)小裂(lie)(lie)紋(wen)的(de)(de)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)場測(ce)(ce)量，并進(jin)一(yi)步影(ying)響到漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢測(ce)(ce)的(de)(de)檢測(ce)(ce)極限。為此，研究表(biao)面粗糙度對裂(lie)(lie)紋(wen)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢測(ce)(ce)的(de)(de)影(ying)響具有重要意義。
1. 表面粗糙度試塊(kuai)
采用(yong)(yong)Q235碳素結構鋼制作試塊(kuai)，試塊(kuai)尺(chi)寸(cun)長300mm、寬(kuan)100mm、厚14mm。首先，將三塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)利(li)用(yong)(yong)飛刀(dao)進(jin)行銑(xian)削加(jia)工(gong)，如(ru)圖(tu)(tu)1-6所示(shi)(shi)，其表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值從左到右依次為(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號(hao)(hao)1、2、3。然后，利(li)用(yong)(yong)立銑(xian)加(jia)工(gong)另外三塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)，如(ru)圖(tu)(tu)1-7所示(shi)(shi)，其表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值從左到右依次為(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號(hao)(hao)4、5、6。另外，再采用(yong)(yong)平磨加(jia)工(gong)一(yi)塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)，此種方式獲得的表(biao)(biao)面(mian)質(zhi)量較好，其表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值為(wei)Ra0.2μm，編(bian)號(hao)(hao)7。所有試塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)均刻(ke)有一(yi)組寬(kuan)度(du)為(wei)20μm，深度(du)不同的人(ren)工(gong)線狀缺陷(xian)，尺(chi)寸(cun)如(ru)圖(tu)(tu)1-8所示(shi)(shi)，從左到右深度(du)依次為(wei)20μm、45μm、70μm，相(xiang)鄰缺陷(xian)的間距為(wei)70mm。
2. 表面粗糙度對漏磁檢測信號(hao)的(de)影響(xiang)試(shi)驗
檢(jian)(jian)測(ce)(ce)裝置主要由磁化(hua)器(qi)、檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)(tou)、信(xin)號采集系(xi)統、上位(wei)機(ji)等部分組(zu)(zu)(zu)(zu)成(cheng)，如圖1-9所(suo)示。磁化(hua)器(qi)由兩組(zu)(zu)(zu)(zu)線圈(quan)(quan)(quan)組(zu)(zu)(zu)(zu)成(cheng)，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)(tou)安裝在(zai)兩組(zu)(zu)(zu)(zu)線圈(quan)(quan)(quan)中(zhong)間，以保(bao)證(zheng)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)(tou)所(suo)在(zai)的位(wei)置磁場分布(bu)均勻(yun)。探(tan)頭(tou)(tou)安裝在(zai)一T形(xing)支架上，T形(xing)支架固定在(zai)兩組(zu)(zu)(zu)(zu)線圈(quan)(quan)(quan)上方。鋼(gang)板在(zai)支撐(cheng)輪的驅(qu)動下(xia)做勻(yun)速運動，在(zai)移動過(guo)程(cheng)中(zhong)，試塊始終與探(tan)頭(tou)(tou)保(bao)持(chi)緊密貼合。檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)(tou)將磁場信(xin)息轉換(huan)成(cheng)電信(xin)號，并由采集卡進(jin)(jin)行(xing)A-D轉換(huan)后進(jin)(jin)入計(ji)算(suan)機(ji)，由上位(wei)機(ji)軟件進(jin)(jin)行(xing)顯示。
a. 表面粗糙度對同一深度裂紋信噪比的影(ying)響
首(shou)先，利用平磨(mo)試塊7進行飽和磁(ci)化(hua)下的(de)漏(lou)磁(ci)檢測試驗。試塊的(de)磁(ci)化(hua)方向垂(chui)直于(yu)人工線狀缺陷，試塊以恒定(ding)的(de)速度沿磁(ci)化(hua)方向運動(dong)，檢測結(jie)果如圖(tu)1-10所示。
從圖中可以看出，由于平磨的表面質量較好，并未帶(dai)來明(ming)顯的噪聲(sheng)信號。另(ling)外，信號峰值與缺陷的深度(du)(du)成正相關規律，當(dang)缺陷深度(du)(du)為20μm左右時(shi)，基本(ben)無法檢測出缺陷信號。
保(bao)持試(shi)(shi)驗條件(jian)不變(bian)，獲得1～7號試(shi)(shi)塊上70μm缺陷的信噪比，如圖(tu)1-11所示，信噪比公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式(shi)中，S代(dai)表信號最大幅值(zhi)；N代(dai)表噪(zao)聲最大幅值(zhi)。
分析圖1-11曲線變(bian)化規律可知，對(dui)于深(shen)度(du)為70μm的(de)(de)(de)缺(que)陷，隨著(zhu)表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)值的(de)(de)(de)不(bu)斷增大，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)逐漸降低(di)。其(qi)中(zhong)，在表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)值Ra=12.5μmm的(de)(de)(de)3號(hao)(hao)(hao)和(he)6號(hao)(hao)(hao)試(shi)塊上(shang)(shang)，缺(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)非常低(di)，已經(jing)不(bu)能清(qing)晰分辨出缺(que)陷信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)。在表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)值Ra＝3.2μm的(de)(de)(de)1號(hao)(hao)(hao)和(he)4號(hao)(hao)(hao)試(shi)塊上(shang)(shang)，缺(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)較高(gao)，而平磨(mo)試(shi)塊上(shang)(shang)同等深(shen)度(du)的(de)(de)(de)缺(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)最高(gao)。由此可見，對(dui)于微小缺(que)陷的(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)，表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)會(hui)直接影(ying)響檢(jian)(jian)測(ce)(ce)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)，較大的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)值甚(shen)至會(hui)帶來漏判(pan)或誤(wu)判(pan)。換言之，在表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)確定的(de)(de)(de)情(qing)況下，試(shi)件(jian)上(shang)(shang)可檢(jian)(jian)測(ce)(ce)缺(que)陷的(de)(de)(de)深(shen)度(du)存在極限。
b. 表面粗糙度對(dui)不同深度裂紋(wen)信噪(zao)比的影響(xiang)
保持試(shi)驗條件不變，探頭以相(xiang)同速度掃查(cha)所有試(shi)塊(kuai)，對不同深度的裂紋進行漏磁檢測(ce)。各試(shi)塊(kuai)得(de)到(dao)的缺陷檢測(ce)信號如(ru)圖1-12所示。
分(fen)析(xi)檢測結果，根據式（1-1）得(de)到在不同表(biao)面粗糙度(du)下信號(hao)信噪比關于裂紋(wen)深(shen)度(du)的關系(xi)曲線，如(ru)圖1-13和圖1-14所(suo)示。
分析圖(tu)1-13所(suo)示(shi)飛刀(dao)銑表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)上不同深(shen)度缺陷的(de)(de)(de)信噪(zao)比曲(qu)線，對(dui)于相(xiang)同的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度，隨(sui)著人工裂紋(wen)深(shen)度的(de)(de)(de)減小，缺陷信號的(de)(de)(de)信噪(zao)比降低。與(yu)此對(dui)應，如(ru)圖(tu)1-14所(suo)示(shi)，從立銑試塊的(de)(de)(de)測試結果(guo)可以(yi)看出，在一定表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度下(xia)，裂紋(wen)深(shen)度變化引起的(de)(de)(de)信噪(zao)比變化趨勢(shi)與(yu)飛刀(dao)銑試塊基(ji)本一致。但是，由于表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)加工方式(shi)的(de)(de)(de)差(cha)異(yi)，兩組試塊表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)峰谷不平(ping)的(de)(de)(de)分布規律并(bing)非完全一樣，從而(er)導致采用(yong)不同加工方式(shi)形成的(de)(de)(de)相(xiang)同表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)上的(de)(de)(de)相(xiang)同深(shen)度缺陷信噪(zao)比不同。
以上試驗結果表(biao)明，在表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)確(que)定的(de)情況下，存(cun)在漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)裂(lie)紋極限深(shen)度(du)(du)。如果裂(lie)紋深(shen)度(du)(du)小(xiao)于(yu)極限深(shen)度(du)(du)，受信噪(zao)比(bi)的(de)影響，漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)靈敏度(du)(du)將降低。表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)對(dui)(dui)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)的(de)影響機理(li)在于(yu)，表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)引(yin)起表(biao)面(mian)微觀峰谷不平輪廓，在兩種不同(tong)磁(ci)導率材(cai)料的(de)分界面(mian)上，存(cun)在磁(ci)折射現象，上凸和下凹的(de)輪廓引(yin)起了對(dui)(dui)應表(biao)面(mian)上方磁(ci)場(chang)的(de)不同(tong)分布。
3. 粗糙表面的磁場分布
鐵磁(ci)(ci)性材料的(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)機(ji)(ji)理(li)通常是(shi)(shi)基于(yu)下(xia)凹(ao)(ao)型(xing)缺(que)(que)(que)陷(xian)處的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場泄(xie)(xie)漏(lou)，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)機(ji)(ji)理(li)并非傳統簡單的(de)(de)(de)(de)(de)描(miao)述，如“磁(ci)(ci)場泄(xie)(xie)漏(lou)”“產(chan)生漏(lou)磁(ci)(ci)信(xin)號”這樣(yang)一個過程。如圖1-15所(suo)示，從磁(ci)(ci)折射的(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)考慮，漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)中，缺(que)(que)(que)陷(xian)附近(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)變化主(zhu)要是(shi)(shi)界面(mian)兩側不(bu)同介質(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)導(dao)率差異引起的(de)(de)(de)(de)(de)。不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)由于(yu)界面(mian)處的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)折射現象，在凹(ao)(ao)型(xing)缺(que)(que)(que)陷(xian)如裂紋或腐蝕下(xia)產(chan)生“正”的(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)號，而在小突起物(wu)存在的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)方(fang)，代表(biao)凸(tu)(tu)(tu)狀缺(que)(que)(que)陷(xian)則(ze)產(chan)生“負”的(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)號。基于(yu)這兩種(zhong)情況(kuang)，前者(zhe)導(dao)致上凸(tu)(tu)(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)號，后者(zhe)產(chan)生一個凹(ao)(ao)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)號。由于(yu)這種(zhong)凹(ao)(ao)凸(tu)(tu)(tu)信(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)存在，當(dang)感(gan)應(ying)單元沿著凹(ao)(ao)凸(tu)(tu)(tu)不(bu)平的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)進行掃(sao)查時，捕獲到的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)號必定(ding)影響最終檢(jian)測(ce)結(jie)果。在微尺度(du)條件下(xia)，工件表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)模型(xing)中，緊密相連的(de)(de)(de)(de)(de)“上凸(tu)(tu)(tu)”部分和“下(xia)凹(ao)(ao)”部分會產(chan)生不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)折射效應(ying)，故采用這種(zhong)完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)機(ji)(ji)理(li)。
無論采用哪種(zhong)加工(gong)(gong)(gong)方法，受刀具與零(ling)件(jian)(jian)(jian)間的(de)運(yun)動、摩擦(ca)，機(ji)床的(de)振動及零(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)塑性變形等(deng)因素的(de)影(ying)響，所獲得的(de)工(gong)(gong)(gong)件(jian)(jian)(jian)表(biao)面(mian)都存在微觀的(de)不平痕跡，即為表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度，通常波距小于(yu)1mm。工(gong)(gong)(gong)件(jian)(jian)(jian)在使用過程中的(de)磨損、腐蝕(shi)介質(zhi)的(de)侵(qin)蝕(shi)消耗也會造成表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)，這種(zhong)較小間距的(de)
峰谷(gu)所組(zu)成的(de)微觀幾(ji)何輪(lun)廓構成表面(mian)紋(wen)理粗糙(cao)度(du)，通(tong)常(chang)采用(yong)二維表面(mian)粗糙(cao)度(du)評定標準即能(neng)基本滿足機(ji)加工零件要求(qiu)，常(chang)用(yong)評定參數優先選(xuan)用(yong)輪(lun)廓算(suan)術(shu)平均偏(pian)差Ra，能(neng)夠直接反映工件表面(mian)峰谷(gu)不平的(de)狀態。Ra的(de)定義常(chang)通(tong)過圖1-16表示(shi)。
由Ra的(de)(de)(de)定義可知，其主要反映工件(jian)表面(mian)(mian)(mian)這種峰谷(gu)不平(ping)的(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)，在(zai)漏(lou)磁(ci)檢測中，這種峰谷(gu)不平(ping)的(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)會引起(qi)工件(jian)表面(mian)(mian)(mian)磁(ci)場強度的(de)(de)(de)分布變(bian)化(hua)。Ra反映的(de)(de)(de)是垂(chui)直于(yu)(yu)工件(jian)表面(mian)(mian)(mian)方向(xiang)的(de)(de)(de)高度變(bian)化(hua)，漏(lou)磁(ci)檢測中的(de)(de)(de)垂(chui)直于(yu)(yu)工件(jian)表面(mian)(mian)(mian)方向(xiang)對應(ying)著缺陷的(de)(de)(de)深度方向(xiang)，因此建立表面(mian)(mian)(mian)粗糙度元的(de)(de)(de)簡化(hua)模型可以分析工件(jian)粗糙表面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)場分布規律。
通常采用規(gui)則(ze)的(de)三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)鋸齒狀表(biao)(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)來建立表(biao)(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)模型(xing)，模擬(ni)原(yuan)本不規(gui)則(ze)的(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)分(fen)布，便于(yu)定(ding)性和定(ding)量(liang)分(fen)析。仿真模型(xing)的(de)特(te)點是三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)表(biao)(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)緊(jin)密相(xiang)連，其(qi)間(jian)(jian)無間(jian)(jian)隙(xi)。圖(tu)1-17所(suo)示為仿真分(fen)析獲(huo)得工(gong)件及(ji)周圍(wei)的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)分(fen)布云(yun)圖(tu)，表(biao)(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)模型(xing)中代表(biao)(biao)(biao)(biao)峰谷的(de)凹凸(tu)三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)造(zao)成了周圍(wei)空間(jian)(jian)磁感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)的(de)分(fen)布變化。A區(qu)域(yu)代表(biao)(biao)(biao)(biao)上凸(tu)三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)表(biao)(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)，其(qi)上方C區(qu)域(yu)的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)弱于(yu)該區(qu)域(yu)周圍(wei)的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)；與此同時，緊(jin)鄰下(xia)凹三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)表(biao)(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)B的(de)上方也存在區(qu)域(yu)D，該區(qu)域(yu)的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)大于(yu)其(qi)周圍(wei)空間(jian)(jian)的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)。
相對于(yu)基準面(mian)，提離0.15mm，拾取(qu)表面(mian)上(shang)方一(yi)段長度范圍內(nei)磁(ci)感應(ying)強(qiang)度水平分量(liang)變化(hua)曲線(xian)，如圖(tu)1-18所示。圖(tu)中仿真信號(hao)呈現出(chu)上(shang)凸下(xia)凹的變化(hua)規律，與圖(tu)1-17中的磁(ci)感應(ying)強(qiang)度變化(hua)規律一(yi)致(zhi)。
當表(biao)面粗糙度(du)元(yuan)(yuan)的高度(du)與(yu)缺(que)陷深度(du)具有(you)相同數量級(ji)時(shi)，表(biao)面粗糙度(du)元(yuan)(yuan)引起的磁場(chang)變(bian)化不(bu)可忽略。若缺(que)陷附近表(biao)面粗糙度(du)元(yuan)(yuan)產(chan)生(sheng)的漏(lou)磁場(chang)強度(du)與(yu)缺(que)陷產(chan)生(sheng)的漏(lou)磁場(chang)強度(du)相當時(shi)，將難(nan)以分辨出缺(que)陷信號。
在(zai)上(shang)述仿真模型中，增加裂紋，仿真計算得到缺陷所在(zai)區域上(shang)方的漏磁(ci)場(chang)磁(ci)感(gan)應強(qiang)度水平(ping)分量變化曲線如圖(tu)1-19所示。顯(xian)然(ran)，裂紋周(zhou)圍的表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度元產生的磁(ci)噪(zao)聲信(xin)號，降(jiang)低了缺陷的信(xin)噪(zao)比。當(dang)然(ran)，在(zai)實(shi)際生產過(guo)程中，可根據圖(tu)1-19 粗(cu)糙(cao)表面(mian)(mian)裂紋上(shang)方漏磁(ci)場(chang)磁(ci)感(gan)應強(qiang)度水平(ping)分量分布表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度引起(qi)的信(xin)號特征(zheng)，采用合適的濾波算法去除噪(zao)聲信(xin)號，以(yi)提高(gao)信(xin)噪(zao)比。
