由加(jia)工(gong)方(fang)法留下的(de)(de)表面痕跡的(de)(de)深淺、疏密、形(xing)狀和(he)紋理都有(you)差(cha)異，生產(chan)運(yun)行(xing)中產(chan)生的(de)(de)表面痕跡更是千(qian)奇百(bai)怪。這些(xie)微觀(guan)的(de)(de)和(he)宏觀(guan)的(de)(de)幾何不平整在漏(lou)磁檢(jian)測中均會(hui)引起磁場泄漏(lou)，由此(ci)帶(dai)來的(de)(de)背景漏(lou)磁場信號將會(hui)影(ying)響(xiang)微小裂紋的(de)(de)漏(lou)磁場測量，并進一步影(ying)響(xiang)到漏(lou)磁檢(jian)測的(de)(de)檢(jian)測極限。為此(ci)，研究表面粗糙度對裂紋漏(lou)磁檢(jian)測的(de)(de)影(ying)響(xiang)具有(you)重要意義。
1. 表面粗糙度試塊
采(cai)用(yong)Q235碳素(su)結構鋼制作(zuo)試塊(kuai)(kuai)，試塊(kuai)(kuai)尺寸(cun)長300mm、寬100mm、厚14mm。首先，將(jiang)三(san)塊(kuai)(kuai)試塊(kuai)(kuai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)利(li)用(yong)飛刀進行銑削加(jia)工(gong)，如(ru)圖(tu)1-6所(suo)(suo)示，其(qi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度值從(cong)左到右依(yi)(yi)(yi)次為(wei)(wei)(wei)(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)1、2、3。然后(hou)，利(li)用(yong)立(li)銑加(jia)工(gong)另外三(san)塊(kuai)(kuai)試塊(kuai)(kuai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，如(ru)圖(tu)1-7所(suo)(suo)示，其(qi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度值從(cong)左到右依(yi)(yi)(yi)次為(wei)(wei)(wei)(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)4、5、6。另外，再(zai)采(cai)用(yong)平磨加(jia)工(gong)一(yi)塊(kuai)(kuai)試塊(kuai)(kuai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，此種方(fang)式(shi)獲(huo)得的(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)質(zhi)量較好，其(qi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度值為(wei)(wei)(wei)(wei)Ra0.2μm，編號(hao)7。所(suo)(suo)有(you)試塊(kuai)(kuai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)均(jun)刻有(you)一(yi)組寬度為(wei)(wei)(wei)(wei)20μm，深度不同的(de)人工(gong)線狀缺(que)陷，尺寸(cun)如(ru)圖(tu)1-8所(suo)(suo)示，從(cong)左到右深度依(yi)(yi)(yi)次為(wei)(wei)(wei)(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰缺(que)陷的(de)間距為(wei)(wei)(wei)(wei)70mm。
2. 表(biao)面粗糙度對漏磁檢測(ce)信號的影響(xiang)試驗
檢(jian)測(ce)裝置主要由(you)(you)磁(ci)化(hua)器、檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、信(xin)號(hao)采集系統、上位(wei)(wei)機等部分組成，如(ru)圖1-9所示(shi)。磁(ci)化(hua)器由(you)(you)兩組線(xian)圈組成，檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝在(zai)兩組線(xian)圈中(zhong)間，以保證檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)所在(zai)的(de)位(wei)(wei)置磁(ci)場分布均勻(yun)。探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝在(zai)一T形支架上，T形支架固定在(zai)兩組線(xian)圈上方。鋼板在(zai)支撐輪的(de)驅動下做(zuo)勻(yun)速運動，在(zai)移動過程中(zhong)，試塊始(shi)終(zhong)與(yu)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)保持(chi)緊密貼合。檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)將磁(ci)場信(xin)息(xi)轉換(huan)成電信(xin)號(hao)，并由(you)(you)采集卡(ka)進行A-D轉換(huan)后進入(ru)計算機，由(you)(you)上位(wei)(wei)機軟(ruan)件進行顯示(shi)。
a. 表面粗糙度對同一深度裂紋信噪比的影(ying)響(xiang)
首先，利用平磨試(shi)(shi)塊7進行飽和(he)磁(ci)(ci)化下的漏磁(ci)(ci)檢測試(shi)(shi)驗。試(shi)(shi)塊的磁(ci)(ci)化方(fang)向(xiang)垂直于人工線狀缺陷，試(shi)(shi)塊以恒定的速度沿磁(ci)(ci)化方(fang)向(xiang)運動，檢測結(jie)果如圖1-10所示。
從圖(tu)中可(ke)以看出，由于平磨(mo)的表面質量較好，并未帶來明顯的噪聲信號(hao)。另(ling)外，信號(hao)峰(feng)值與缺(que)陷(xian)的深(shen)度成正相關規(gui)律，當(dang)缺(que)陷(xian)深(shen)度為(wei)20μm左右時，基本無法檢(jian)測出缺(que)陷(xian)信號(hao)。
保持試驗條(tiao)件(jian)不(bu)變，獲得(de)1～7號試塊上70μm缺陷的信(xin)噪(zao)(zao)比(bi)，如圖1-11所示(shi)，信(xin)噪(zao)(zao)比(bi)公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式(shi)中，S代(dai)表信號最大(da)幅值(zhi)；N代(dai)表噪聲最大(da)幅值(zhi)。
分析圖1-11曲線變化規律可知，對(dui)于深(shen)度(du)為(wei)70μm的(de)(de)(de)缺陷(xian)(xian)(xian)，隨著表(biao)面粗(cu)糙度(du)值(zhi)的(de)(de)(de)不斷增大(da)(da)，檢(jian)測信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信噪(zao)(zao)比(bi)(bi)逐(zhu)漸降低(di)。其中，在(zai)表(biao)面粗(cu)糙度(du)值(zhi)Ra=12.5μmm的(de)(de)(de)3號(hao)(hao)和(he)6號(hao)(hao)試塊上(shang)，缺陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)測信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信噪(zao)(zao)比(bi)(bi)非常低(di)，已經不能清(qing)晰分辨(bian)出缺陷(xian)(xian)(xian)信號(hao)(hao)。在(zai)表(biao)面粗(cu)糙度(du)值(zhi)Ra＝3.2μm的(de)(de)(de)1號(hao)(hao)和(he)4號(hao)(hao)試塊上(shang)，缺陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)測信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信噪(zao)(zao)比(bi)(bi)較高，而平磨試塊上(shang)同等(deng)深(shen)度(du)的(de)(de)(de)缺陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)測信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信噪(zao)(zao)比(bi)(bi)最(zui)高。由此可見(jian)，對(dui)于微小缺陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)檢(jian)測，表(biao)面粗(cu)糙度(du)會直(zhi)接影響檢(jian)測信噪(zao)(zao)比(bi)(bi)，較大(da)(da)的(de)(de)(de)表(biao)面粗(cu)糙度(du)值(zhi)甚至(zhi)會帶(dai)來(lai)漏判或誤(wu)判。換(huan)言之，在(zai)表(biao)面粗(cu)糙度(du)確定的(de)(de)(de)情況下，試件上(shang)可檢(jian)測缺陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)深(shen)度(du)存(cun)在(zai)極限(xian)。
b. 表面粗糙度對不同深度裂紋信噪比的(de)影響
保持試驗條件不變，探(tan)頭(tou)以(yi)相同速(su)度掃查所有試塊(kuai)(kuai)，對不同深度的(de)(de)裂紋(wen)進(jin)行漏磁檢(jian)測。各(ge)試塊(kuai)(kuai)得到的(de)(de)缺陷檢(jian)測信號如圖1-12所示。
分析檢測結果，根據式（1-1）得到在不(bu)同表(biao)面粗糙度(du)下信號信噪比關于裂紋深度(du)的關系(xi)曲線(xian)，如圖1-13和圖1-14所示(shi)。
分(fen)析(xi)圖(tu)1-13所(suo)示(shi)飛刀(dao)銑(xian)表(biao)(biao)(biao)面上(shang)(shang)不同深(shen)度(du)缺陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)噪比曲線，對于相(xiang)同的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面粗糙度(du)，隨著人工裂紋深(shen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)減小，缺陷(xian)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)噪比降低。與此對應，如圖(tu)1-14所(suo)示(shi)，從立銑(xian)試(shi)塊的(de)(de)(de)(de)(de)測試(shi)結(jie)果可以看出，在一(yi)定表(biao)(biao)(biao)面粗糙度(du)下(xia)，裂紋深(shen)度(du)變(bian)(bian)化引起的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)噪比變(bian)(bian)化趨勢(shi)與飛刀(dao)銑(xian)試(shi)塊基本一(yi)致。但是，由于表(biao)(biao)(biao)面加工方(fang)式的(de)(de)(de)(de)(de)差異，兩組試(shi)塊表(biao)(biao)(biao)面峰(feng)谷(gu)不平的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布規律并非(fei)完全一(yi)樣，從而(er)導(dao)致采用(yong)不同加工方(fang)式形成的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)同表(biao)(biao)(biao)面粗糙度(du)表(biao)(biao)(biao)面上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)同深(shen)度(du)缺陷(xian)信(xin)噪比不同。
以上(shang)試驗(yan)結果(guo)表(biao)明，在(zai)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)確定的(de)(de)(de)(de)情況下，存在(zai)漏(lou)(lou)磁檢(jian)測裂紋(wen)極限深(shen)度(du)。如果(guo)裂紋(wen)深(shen)度(du)小于(yu)極限深(shen)度(du)，受信噪(zao)比的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，漏(lou)(lou)磁檢(jian)測靈敏度(du)將降低(di)。表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)對漏(lou)(lou)磁檢(jian)測的(de)(de)(de)(de)影(ying)響機理在(zai)于(yu)，表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)引(yin)(yin)起(qi)表(biao)面(mian)(mian)微觀峰(feng)谷不平輪廓，在(zai)兩種不同(tong)磁導率材料的(de)(de)(de)(de)分界面(mian)(mian)上(shang)，存在(zai)磁折(zhe)射現(xian)象，上(shang)凸和下凹的(de)(de)(de)(de)輪廓引(yin)(yin)起(qi)了(le)對應表(biao)面(mian)(mian)上(shang)方磁場的(de)(de)(de)(de)不同(tong)分布。
3. 粗糙(cao)表面的磁(ci)場分布
鐵磁(ci)(ci)性(xing)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測機(ji)理通常是(shi)基于(yu)(yu)(yu)下凹(ao)(ao)(ao)型缺陷處(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場泄漏(lou)(lou)(lou)，而(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完整的(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測機(ji)理并非傳(chuan)統(tong)簡單的(de)(de)(de)(de)(de)(de)描(miao)述，如(ru)“磁(ci)(ci)場泄漏(lou)(lou)(lou)”“產(chan)生(sheng)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)信(xin)(xin)號(hao)(hao)”這(zhe)樣(yang)一個過程。如(ru)圖1-15所示，從磁(ci)(ci)折射(she)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)角度考慮(lv)，漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測中，缺陷附近(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)感應強度變化主要是(shi)界(jie)面(mian)兩側不同介(jie)質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)導率差異引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)由于(yu)(yu)(yu)界(jie)面(mian)處(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)折射(she)現象，在凹(ao)(ao)(ao)型缺陷如(ru)裂紋或腐蝕下產(chan)生(sheng)“正”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)，而(er)在小突起物存(cun)在的(de)(de)(de)(de)(de)(de)地方(fang)，代表(biao)凸(tu)(tu)(tu)狀缺陷則產(chan)生(sheng)“負”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)。基于(yu)(yu)(yu)這(zhe)兩種(zhong)情(qing)況，前者(zhe)導致上凸(tu)(tu)(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)，后者(zhe)產(chan)生(sheng)一個凹(ao)(ao)(ao)陷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)。由于(yu)(yu)(yu)這(zhe)種(zhong)凹(ao)(ao)(ao)凸(tu)(tu)(tu)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在，當感應單元沿著凹(ao)(ao)(ao)凸(tu)(tu)(tu)不平的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)進行(xing)掃查時，捕獲到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)必定影響最終檢(jian)(jian)測結果。在微尺度條件下，工件表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度模型中，緊密相連的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“上凸(tu)(tu)(tu)”部分和(he)“下凹(ao)(ao)(ao)”部分會產(chan)生(sheng)不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)折射(she)效應，故(gu)采用這(zhe)種(zhong)完整的(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測機(ji)理。
無(wu)論采(cai)用哪種(zhong)加工方法(fa)，受刀具與(yu)零件間(jian)的(de)(de)(de)運動(dong)、摩擦，機床(chuang)的(de)(de)(de)振動(dong)及零件的(de)(de)(de)塑性變形等因素的(de)(de)(de)影響，所獲得的(de)(de)(de)工件表面(mian)(mian)都存在微觀的(de)(de)(de)不平痕(hen)跡，即為表面(mian)(mian)粗糙度，通常(chang)波距(ju)小于1mm。工件在使用過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)磨損、腐(fu)蝕(shi)介質(zhi)的(de)(de)(de)侵(qin)蝕(shi)消耗也會(hui)造成(cheng)表面(mian)(mian)粗糙，這種(zhong)較小間(jian)距(ju)的(de)(de)(de)
峰(feng)谷所組成的微觀幾(ji)何(he)輪(lun)廓(kuo)構(gou)成表(biao)(biao)(biao)面紋理粗(cu)(cu)糙(cao)度，通常(chang)采(cai)用(yong)二維表(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度評(ping)定(ding)標準即能基本滿足機加(jia)工零件要求，常(chang)用(yong)評(ping)定(ding)參數優先(xian)選用(yong)輪(lun)廓(kuo)算術平均(jun)偏差Ra，能夠(gou)直接反映工件表(biao)(biao)(biao)面峰(feng)谷不平的狀態。Ra的定(ding)義常(chang)通過圖1-16表(biao)(biao)(biao)示(shi)。
由Ra的定義可(ke)知，其主要反映(ying)工(gong)件表(biao)(biao)(biao)面(mian)這種(zhong)峰(feng)(feng)谷不平(ping)的狀(zhuang)態，在漏(lou)磁(ci)檢(jian)測中，這種(zhong)峰(feng)(feng)谷不平(ping)的狀(zhuang)態會引起工(gong)件表(biao)(biao)(biao)面(mian)磁(ci)場(chang)強度(du)的分布變(bian)化(hua)。Ra反映(ying)的是垂直于(yu)工(gong)件表(biao)(biao)(biao)面(mian)方向的高(gao)度(du)變(bian)化(hua)，漏(lou)磁(ci)檢(jian)測中的垂直于(yu)工(gong)件表(biao)(biao)(biao)面(mian)方向對應著缺陷的深度(du)方向，因(yin)此建立表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)元的簡(jian)化(hua)模型(xing)可(ke)以分析工(gong)件粗糙表(biao)(biao)(biao)面(mian)的漏(lou)磁(ci)場(chang)分布規律。
通(tong)常采用(yong)規則(ze)的三角(jiao)(jiao)形鋸齒狀表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元來(lai)建立表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模型(xing)，模擬原本(ben)不規則(ze)的表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元分(fen)布(bu)，便于(yu)(yu)定性和(he)定量分(fen)析。仿(fang)(fang)真(zhen)模型(xing)的特點是(shi)三角(jiao)(jiao)形表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元緊密(mi)相連，其(qi)間無間隙。圖(tu)1-17所示為(wei)仿(fang)(fang)真(zhen)分(fen)析獲得(de)工(gong)件及周(zhou)圍(wei)(wei)的磁感(gan)應(ying)強度(du)(du)(du)(du)(du)分(fen)布(bu)云(yun)圖(tu)，表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模型(xing)中代(dai)表(biao)(biao)(biao)峰谷(gu)的凹凸三角(jiao)(jiao)形造成了周(zhou)圍(wei)(wei)空間磁感(gan)應(ying)強度(du)(du)(du)(du)(du)的分(fen)布(bu)變化。A區(qu)(qu)域(yu)代(dai)表(biao)(biao)(biao)上(shang)凸三角(jiao)(jiao)形表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元，其(qi)上(shang)方(fang)C區(qu)(qu)域(yu)的磁感(gan)應(ying)強度(du)(du)(du)(du)(du)弱于(yu)(yu)該(gai)區(qu)(qu)域(yu)周(zhou)圍(wei)(wei)的磁感(gan)應(ying)強度(du)(du)(du)(du)(du)；與此同(tong)時，緊鄰下凹三角(jiao)(jiao)形表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元B的上(shang)方(fang)也存在(zai)區(qu)(qu)域(yu)D，該(gai)區(qu)(qu)域(yu)的磁感(gan)應(ying)強度(du)(du)(du)(du)(du)大于(yu)(yu)其(qi)周(zhou)圍(wei)(wei)空間的磁感(gan)應(ying)強度(du)(du)(du)(du)(du)。
相(xiang)對于基準面，提(ti)離(li)0.15mm，拾(shi)取表面上(shang)方(fang)一(yi)段(duan)長度(du)范圍(wei)內磁感應強度(du)水(shui)平分量變化曲(qu)線(xian)，如圖(tu)1-18所示。圖(tu)中(zhong)仿真信號呈現出上(shang)凸下凹(ao)的變化規律，與圖(tu)1-17中(zhong)的磁感應強度(du)變化規律一(yi)致。
當表面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)的(de)高度(du)(du)與(yu)缺(que)陷深度(du)(du)具有相同(tong)數量級時，表面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)引起(qi)的(de)磁場(chang)變化不可忽略(lve)。若缺(que)陷附近表面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)產生(sheng)的(de)漏(lou)磁場(chang)強度(du)(du)與(yu)缺(que)陷產生(sheng)的(de)漏(lou)磁場(chang)強度(du)(du)相當時，將難以分辨出缺(que)陷信號。
在上(shang)(shang)述仿(fang)真模型(xing)中，增加裂紋，仿(fang)真計算得到缺(que)陷所在區域(yu)上(shang)(shang)方的(de)(de)漏(lou)磁(ci)場(chang)磁(ci)感應強度水平分量變化曲線如(ru)圖(tu)1-19所示。顯然，裂紋周圍的(de)(de)表(biao)面粗糙(cao)度元產生的(de)(de)磁(ci)噪(zao)(zao)聲信號(hao)，降低了缺(que)陷的(de)(de)信噪(zao)(zao)比(bi)(bi)。當然，在實(shi)際(ji)生產過程(cheng)中，可(ke)根據圖(tu)1-19 粗糙(cao)表(biao)面裂紋上(shang)(shang)方漏(lou)磁(ci)場(chang)磁(ci)感應強度水平分量分布表(biao)面粗糙(cao)度引起(qi)的(de)(de)信號(hao)特征，采(cai)用(yong)合適的(de)(de)濾波算法去除(chu)噪(zao)(zao)聲信號(hao)，以提高信噪(zao)(zao)比(bi)(bi)。
