由(you)加工方法(fa)留(liu)下的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)痕跡的(de)(de)(de)深淺、疏(shu)密、形(xing)狀和紋理(li)都(dou)有(you)差異，生產運行(xing)中產生的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)痕跡更是千奇百怪。這(zhe)些微(wei)觀的(de)(de)(de)和宏觀的(de)(de)(de)幾何不平整在(zai)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢測中均(jun)會(hui)引起磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)泄(xie)漏(lou)(lou)，由(you)此(ci)帶(dai)來(lai)的(de)(de)(de)背景漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)信號將(jiang)會(hui)影響(xiang)微(wei)小裂紋的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)測量，并進一(yi)步影響(xiang)到漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢測的(de)(de)(de)檢測極(ji)限(xian)。為此(ci)，研究表(biao)面(mian)粗糙度對裂紋漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢測的(de)(de)(de)影響(xiang)具有(you)重要意義。
1. 表面(mian)粗糙度試塊
采用(yong)Q235碳素結構鋼制作試塊(kuai)，試塊(kuai)尺寸長300mm、寬(kuan)100mm、厚14mm。首先(xian)，將三塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)面(mian)利(li)用(yong)飛刀(dao)進行銑削加工，如圖(tu)1-6所(suo)示(shi)，其表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值從(cong)左到(dao)右(you)依(yi)次為(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)(bian)號1、2、3。然后，利(li)用(yong)立銑加工另(ling)外三塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)面(mian)，如圖(tu)1-7所(suo)示(shi)，其表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值從(cong)左到(dao)右(you)依(yi)次為(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)(bian)號4、5、6。另(ling)外，再(zai)采用(yong)平磨加工一塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)面(mian)，此種方式(shi)獲(huo)得的表(biao)面(mian)質量較(jiao)好，其表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值為(wei)Ra0.2μm，編(bian)(bian)號7。所(suo)有(you)試塊(kuai)表(biao)面(mian)均刻有(you)一組寬(kuan)度(du)為(wei)20μm，深(shen)度(du)不同的人工線狀缺陷，尺寸如圖(tu)1-8所(suo)示(shi)，從(cong)左到(dao)右(you)深(shen)度(du)依(yi)次為(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰缺陷的間距為(wei)70mm。
2. 表面粗糙度對漏磁檢測(ce)信號的影(ying)響試驗
檢測(ce)(ce)(ce)裝(zhuang)置主要由(you)磁化(hua)(hua)器、檢測(ce)(ce)(ce)探(tan)頭(tou)、信號采集(ji)系統、上(shang)位機等部分組(zu)(zu)成(cheng)，如圖1-9所示。磁化(hua)(hua)器由(you)兩組(zu)(zu)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)組(zu)(zu)成(cheng)，檢測(ce)(ce)(ce)探(tan)頭(tou)安(an)裝(zhuang)在(zai)兩組(zu)(zu)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)中(zhong)間，以(yi)保(bao)證檢測(ce)(ce)(ce)探(tan)頭(tou)所在(zai)的位置磁場分布(bu)均(jun)勻(yun)。探(tan)頭(tou)安(an)裝(zhuang)在(zai)一T形(xing)支(zhi)架上(shang)，T形(xing)支(zhi)架固定在(zai)兩組(zu)(zu)線(xian)(xian)圈(quan)(quan)上(shang)方。鋼板(ban)在(zai)支(zhi)撐輪的驅動(dong)下做勻(yun)速運動(dong)，在(zai)移動(dong)過程中(zhong)，試塊始終與探(tan)頭(tou)保(bao)持緊(jin)密(mi)貼(tie)合。檢測(ce)(ce)(ce)探(tan)頭(tou)將磁場信息(xi)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電信號，并由(you)采集(ji)卡(ka)進行(xing)A-D轉(zhuan)換(huan)后進入計(ji)算機，由(you)上(shang)位機軟件進行(xing)顯示。
a. 表面粗糙度對同一深(shen)度裂紋(wen)信噪比(bi)的(de)影響
首先，利用平磨試塊(kuai)(kuai)7進行飽和磁化(hua)下的(de)漏磁檢(jian)測試驗。試塊(kuai)(kuai)的(de)磁化(hua)方向(xiang)垂直于人工線狀缺陷(xian)，試塊(kuai)(kuai)以恒定的(de)速度沿磁化(hua)方向(xiang)運動，檢(jian)測結果如圖1-10所(suo)示。
從圖(tu)中可以看出，由于(yu)平(ping)磨的表(biao)面質(zhi)量(liang)較好，并未帶來明(ming)顯的噪聲(sheng)信號(hao)。另外，信號(hao)峰值與缺(que)陷的深度成(cheng)正相關規律，當缺(que)陷深度為20μm左右時，基本(ben)無法(fa)檢(jian)測出缺(que)陷信號(hao)。
保持(chi)試驗(yan)條(tiao)件(jian)不(bu)變，獲得1～7號試塊上(shang)70μm缺陷的(de)信(xin)(xin)噪比，如(ru)圖1-11所(suo)示，信(xin)(xin)噪比公(gong)式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代表(biao)信(xin)號最大(da)幅(fu)值；N代表(biao)噪(zao)聲最大(da)幅(fu)值。
分析圖1-11曲線變化規律可(ke)知(zhi)，對(dui)于深(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du)(du)為(wei)70μm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)，隨著(zhu)表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不斷增大，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比逐漸降低(di)。其中(zhong)，在表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)值Ra=12.5μmm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)3號(hao)(hao)(hao)和(he)6號(hao)(hao)(hao)試(shi)塊上，缺(que)陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比非(fei)常(chang)低(di)，已經不能清晰分辨出缺(que)陷(xian)(xian)(xian)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)。在表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)值Ra＝3.2μm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1號(hao)(hao)(hao)和(he)4號(hao)(hao)(hao)試(shi)塊上，缺(que)陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比較(jiao)高(gao)，而平磨試(shi)塊上同等深(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比最高(gao)。由此可(ke)見，對(dui)于微小缺(que)陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)，表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)會(hui)直接影響檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)噪比，較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)值甚至會(hui)帶來漏判(pan)或(huo)誤判(pan)。換(huan)言之，在表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)確(que)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況下，試(shi)件上可(ke)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)深(shen)(shen)(shen)度(du)(du)(du)(du)存(cun)在極限。
b. 表面(mian)粗(cu)糙度對(dui)不同深(shen)度裂(lie)紋信噪比(bi)的影(ying)響
保持試驗條件不(bu)(bu)變，探(tan)頭以相(xiang)同速度掃查所有試塊(kuai)(kuai)，對不(bu)(bu)同深度的裂紋進行漏磁(ci)檢測。各試塊(kuai)(kuai)得(de)到的缺陷檢測信(xin)號(hao)如圖1-12所示(shi)。
分析(xi)檢測結(jie)果(guo)，根(gen)據式（1-1）得到在不同表面(mian)粗(cu)糙(cao)度下信號信噪(zao)比關(guan)于裂紋深度的(de)關(guan)系曲(qu)線，如圖(tu)1-13和圖(tu)1-14所示。
分析圖(tu)1-13所示飛刀(dao)銑(xian)表(biao)(biao)(biao)面(mian)上不同(tong)深(shen)度缺陷的(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比曲(qu)線，對于(yu)相同(tong)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度，隨著(zhu)人工(gong)裂紋深(shen)度的(de)(de)(de)減小(xiao)，缺陷信(xin)號的(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比降(jiang)低。與(yu)此對應，如圖(tu)1-14所示，從立(li)銑(xian)試(shi)塊的(de)(de)(de)測試(shi)結果(guo)可(ke)以看出，在一(yi)定表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度下，裂紋深(shen)度變(bian)化引起的(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比變(bian)化趨勢與(yu)飛刀(dao)銑(xian)試(shi)塊基本一(yi)致。但是，由于(yu)表(biao)(biao)(biao)面(mian)加工(gong)方式的(de)(de)(de)差異，兩組(zu)試(shi)塊表(biao)(biao)(biao)面(mian)峰谷不平的(de)(de)(de)分布規(gui)律并非完全(quan)一(yi)樣(yang)，從而導致采用不同(tong)加工(gong)方式形(xing)成的(de)(de)(de)相同(tong)表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度表(biao)(biao)(biao)面(mian)上的(de)(de)(de)相同(tong)深(shen)度缺陷信(xin)噪(zao)比不同(tong)。
以(yi)上試驗結果(guo)表明，在(zai)表面(mian)粗(cu)糙度(du)確(que)定的(de)情況下(xia)，存在(zai)漏(lou)(lou)磁(ci)檢測裂紋極(ji)限深(shen)(shen)度(du)。如果(guo)裂紋深(shen)(shen)度(du)小于極(ji)限深(shen)(shen)度(du)，受(shou)信(xin)噪比的(de)影(ying)響(xiang)，漏(lou)(lou)磁(ci)檢測靈敏度(du)將降低。表面(mian)粗(cu)糙度(du)對(dui)漏(lou)(lou)磁(ci)檢測的(de)影(ying)響(xiang)機理在(zai)于，表面(mian)粗(cu)糙度(du)引起(qi)表面(mian)微觀(guan)峰谷不(bu)平輪(lun)廓(kuo)，在(zai)兩種(zhong)不(bu)同磁(ci)導率(lv)材料(liao)的(de)分(fen)界(jie)面(mian)上，存在(zai)磁(ci)折射現象，上凸和下(xia)凹的(de)輪(lun)廓(kuo)引起(qi)了(le)對(dui)應表面(mian)上方(fang)磁(ci)場的(de)不(bu)同分(fen)布。
3. 粗(cu)糙表(biao)面(mian)的磁場分(fen)布
鐵磁(ci)(ci)(ci)性材料的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)機理通(tong)常是(shi)基于下(xia)凹型(xing)缺(que)陷處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)泄漏(lou)，而(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完整的(de)(de)(de)檢測(ce)機理并非傳統簡單的(de)(de)(de)描述，如“磁(ci)(ci)(ci)場(chang)泄漏(lou)”“產(chan)(chan)生(sheng)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)”這樣一個過程。如圖1-15所示，從磁(ci)(ci)(ci)折射(she)的(de)(de)(de)角度考慮，漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)中，缺(que)陷附近的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應(ying)強度變化主要是(shi)界面(mian)(mian)兩(liang)側不同介質的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)導(dao)(dao)率差異引起(qi)的(de)(de)(de)。不同的(de)(de)(de)是(shi)由(you)于界面(mian)(mian)處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折射(she)現象，在(zai)凹型(xing)缺(que)陷如裂紋或(huo)腐蝕下(xia)產(chan)(chan)生(sheng)“正(zheng)”的(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)，而(er)在(zai)小突(tu)起(qi)物(wu)存在(zai)的(de)(de)(de)地方，代表(biao)(biao)凸(tu)(tu)狀缺(que)陷則產(chan)(chan)生(sheng)“負”的(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)。基于這兩(liang)種情況，前者(zhe)導(dao)(dao)致上凸(tu)(tu)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)，后者(zhe)產(chan)(chan)生(sheng)一個凹陷的(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)。由(you)于這種凹凸(tu)(tu)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)存在(zai)，當感(gan)應(ying)單元沿著(zhu)凹凸(tu)(tu)不平的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)進行掃查時，捕(bu)獲(huo)到(dao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)必定影響最終檢測(ce)結果。在(zai)微尺度條件下(xia)，工件表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度模型(xing)中，緊密相連的(de)(de)(de)“上凸(tu)(tu)”部分(fen)和(he)“下(xia)凹”部分(fen)會產(chan)(chan)生(sheng)不同的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折射(she)效應(ying)，故(gu)采用這種完整的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)機理。
無(wu)論采(cai)用哪種加工方法，受刀具(ju)與(yu)零件(jian)(jian)間(jian)的運動(dong)(dong)、摩擦，機床的振(zhen)動(dong)(dong)及零件(jian)(jian)的塑(su)性變形等(deng)因素的影響(xiang)，所獲得的工件(jian)(jian)表(biao)面(mian)都存在微觀的不平(ping)痕跡，即為(wei)表(biao)面(mian)粗糙度，通常波距小于1mm。工件(jian)(jian)在使(shi)用過程中的磨損、腐蝕介質的侵(qin)蝕消耗(hao)也會造成表(biao)面(mian)粗糙，這種較小間(jian)距的
峰谷所組成的(de)微觀(guan)幾何輪廓構(gou)成表(biao)(biao)面(mian)紋理粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)，通常采用二維表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)評定標準(zhun)即能基本滿足機(ji)加工零件要(yao)求(qiu)，常用評定參數優先選(xuan)用輪廓算術平(ping)均(jun)偏差Ra，能夠直接反映工件表(biao)(biao)面(mian)峰谷不平(ping)的(de)狀態(tai)。Ra的(de)定義(yi)常通過圖1-16表(biao)(biao)示。
由Ra的(de)定(ding)義(yi)可知，其主(zhu)要反映工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)這種(zhong)峰谷不平的(de)狀態，在漏磁檢測(ce)中(zhong)，這種(zhong)峰谷不平的(de)狀態會引起工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)磁場(chang)強度的(de)分(fen)布變化。Ra反映的(de)是垂直于(yu)工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)方向的(de)高度變化，漏磁檢測(ce)中(zhong)的(de)垂直于(yu)工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)方向對應著缺陷的(de)深度方向，因(yin)此建立表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度元(yuan)的(de)簡(jian)化模型可以(yi)分(fen)析工件(jian)粗(cu)糙表(biao)(biao)面(mian)的(de)漏磁場(chang)分(fen)布規律(lv)。
通常采(cai)用規(gui)則(ze)的(de)(de)三角(jiao)(jiao)形(xing)鋸(ju)齒狀表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元來建(jian)立表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)，模(mo)擬原本(ben)不(bu)規(gui)則(ze)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元分(fen)布，便于(yu)定性和定量(liang)分(fen)析。仿真模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)特點是(shi)三角(jiao)(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元緊密相連，其間無間隙。圖1-17所示(shi)為仿真分(fen)析獲(huo)得工(gong)件及周圍的(de)(de)磁感(gan)應強度(du)(du)(du)(du)(du)分(fen)布云圖，表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)中代(dai)表(biao)峰谷的(de)(de)凹(ao)凸三角(jiao)(jiao)形(xing)造成了周圍空間磁感(gan)應強度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)分(fen)布變化。A區(qu)(qu)(qu)域代(dai)表(biao)上凸三角(jiao)(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元，其上方C區(qu)(qu)(qu)域的(de)(de)磁感(gan)應強度(du)(du)(du)(du)(du)弱于(yu)該(gai)區(qu)(qu)(qu)域周圍的(de)(de)磁感(gan)應強度(du)(du)(du)(du)(du)；與此同時，緊鄰下凹(ao)三角(jiao)(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元B的(de)(de)上方也存在區(qu)(qu)(qu)域D，該(gai)區(qu)(qu)(qu)域的(de)(de)磁感(gan)應強度(du)(du)(du)(du)(du)大于(yu)其周圍空間的(de)(de)磁感(gan)應強度(du)(du)(du)(du)(du)。
相對于基準面，提離0.15mm，拾取表面上方一段長(chang)度(du)范圍內磁(ci)感應強度(du)水平分量(liang)變(bian)化曲線，如(ru)圖(tu)1-18所示。圖(tu)中仿真(zhen)信(xin)號(hao)呈(cheng)現出(chu)上凸(tu)下凹的變(bian)化規(gui)律(lv)，與圖(tu)1-17中的磁(ci)感應強度(du)變(bian)化規(gui)律(lv)一致。
當表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)元(yuan)的高度(du)與缺(que)(que)陷深度(du)具(ju)有相同數量(liang)級(ji)時，表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)元(yuan)引起(qi)的磁場(chang)變化不可忽(hu)略。若(ruo)缺(que)(que)陷附近表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)元(yuan)產(chan)生(sheng)的漏磁場(chang)強度(du)與缺(que)(que)陷產(chan)生(sheng)的漏磁場(chang)強度(du)相當時，將難(nan)以分辨出缺(que)(que)陷信號。
在(zai)上(shang)述(shu)仿真模型中，增(zeng)加裂紋(wen)，仿真計算得到缺(que)陷所在(zai)區域上(shang)方的漏(lou)磁(ci)場(chang)磁(ci)感應強度(du)(du)水平分(fen)量(liang)變化曲線如圖1-19所示。顯然(ran)，裂紋(wen)周圍的表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元產生(sheng)的磁(ci)噪聲信(xin)號(hao)，降低了(le)缺(que)陷的信(xin)噪比。當然(ran)，在(zai)實際生(sheng)產過程中，可根據圖1-19 粗(cu)糙(cao)表面裂紋(wen)上(shang)方漏(lou)磁(ci)場(chang)磁(ci)感應強度(du)(du)水平分(fen)量(liang)分(fen)布表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)引起(qi)的信(xin)號(hao)特征，采用(yong)合適的濾(lv)波算法去除噪聲信(xin)號(hao)，以提高信(xin)噪比。
