由(you)加(jia)工(gong)方(fang)法留下的(de)(de)表面(mian)痕跡的(de)(de)深(shen)淺、疏密、形(xing)狀和紋理都(dou)有差異，生產運行中產生的(de)(de)表面(mian)痕跡更是千奇百(bai)怪(guai)。這些微觀的(de)(de)和宏觀的(de)(de)幾何不平整在漏(lou)磁檢(jian)測(ce)中均會引(yin)起磁場泄漏(lou)，由(you)此帶來(lai)的(de)(de)背景(jing)漏(lou)磁場信號將會影響微小裂紋的(de)(de)漏(lou)磁場測(ce)量(liang)，并進一步影響到漏(lou)磁檢(jian)測(ce)的(de)(de)檢(jian)測(ce)極限。為此，研究表面(mian)粗糙度(du)對裂紋漏(lou)磁檢(jian)測(ce)的(de)(de)影響具有重要(yao)意義。
1. 表面粗糙(cao)度試塊
采用Q235碳(tan)素(su)結構鋼制作試塊(kuai)(kuai)，試塊(kuai)(kuai)尺(chi)寸(cun)長300mm、寬100mm、厚(hou)14mm。首先(xian)，將三塊(kuai)(kuai)試塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)利(li)用飛刀進行銑(xian)削加(jia)工，如(ru)圖1-6所(suo)示(shi)(shi)，其(qi)表(biao)面(mian)粗糙度值(zhi)從(cong)左到右依次(ci)為Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號(hao)(hao)1、2、3。然后，利(li)用立(li)銑(xian)加(jia)工另(ling)(ling)外三塊(kuai)(kuai)試塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)，如(ru)圖1-7所(suo)示(shi)(shi)，其(qi)表(biao)面(mian)粗糙度值(zhi)從(cong)左到右依次(ci)為 Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號(hao)(hao)4、5、6。另(ling)(ling)外，再(zai)采用平磨加(jia)工一塊(kuai)(kuai)試塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)，此種方式獲得的(de)表(biao)面(mian)質量較好，其(qi)表(biao)面(mian)粗糙度值(zhi)為Ra0.2μm，編(bian)號(hao)(hao)7。所(suo)有(you)試塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)均刻有(you)一組(zu)寬度為20μm，深(shen)度不同的(de)人工線狀缺(que)(que)陷，尺(chi)寸(cun)如(ru)圖1-8所(suo)示(shi)(shi)，從(cong)左到右深(shen)度依次(ci)為20μm、45μm、70μm，相鄰(lin)缺(que)(que)陷的(de)間距為70mm。
2. 表面粗糙度對(dui)漏(lou)磁檢測(ce)信號的影響試(shi)驗
檢測(ce)(ce)裝(zhuang)置主要由磁(ci)化(hua)器(qi)(qi)、檢測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)、信號(hao)采(cai)集(ji)系(xi)統、上(shang)位機(ji)等部分(fen)組(zu)成，如圖1-9所(suo)示(shi)。磁(ci)化(hua)器(qi)(qi)由兩(liang)組(zu)線(xian)圈(quan)組(zu)成，檢測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)安裝(zhuang)在(zai)兩(liang)組(zu)線(xian)圈(quan)中間(jian)，以保(bao)(bao)證檢測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)所(suo)在(zai)的位置磁(ci)場分(fen)布均勻。探(tan)頭(tou)安裝(zhuang)在(zai)一T形(xing)支架(jia)上(shang)，T形(xing)支架(jia)固(gu)定在(zai)兩(liang)組(zu)線(xian)圈(quan)上(shang)方。鋼(gang)板在(zai)支撐輪的驅動(dong)下做勻速(su)運動(dong)，在(zai)移動(dong)過程中，試塊始終與探(tan)頭(tou)保(bao)(bao)持緊密貼(tie)合。檢測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)將磁(ci)場信息轉換成電(dian)信號(hao)，并由采(cai)集(ji)卡(ka)進(jin)(jin)行(xing)A-D轉換后進(jin)(jin)入計(ji)算機(ji)，由上(shang)位機(ji)軟(ruan)件(jian)進(jin)(jin)行(xing)顯示(shi)。
a. 表(biao)面粗糙度對同一深度裂(lie)紋信噪比(bi)的(de)影響
首先，利(li)用平磨試塊7進(jin)行飽和(he)磁化(hua)下的(de)(de)漏磁檢(jian)測試驗(yan)。試塊的(de)(de)磁化(hua)方(fang)向(xiang)垂直于(yu)人工線狀缺陷，試塊以恒定的(de)(de)速度沿(yan)磁化(hua)方(fang)向(xiang)運動，檢(jian)測結(jie)果如圖1-10所示。
從圖中可以看出(chu)，由于平磨的(de)表面質量較好，并未帶來明顯的(de)噪聲(sheng)信(xin)號(hao)。另外(wai)，信(xin)號(hao)峰值(zhi)與缺陷(xian)的(de)深度成正相(xiang)關規律(lv)，當缺陷(xian)深度為(wei)20μm左右時，基(ji)本(ben)無法檢測(ce)出(chu)缺陷(xian)信(xin)號(hao)。
保持試(shi)驗條(tiao)件不(bu)變，獲(huo)得1～7號試(shi)塊上70μm缺陷的(de)信噪(zao)比，如圖(tu)1-11所示，信噪(zao)比公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式(shi)中(zhong)，S代(dai)表信號最大(da)(da)幅值(zhi)；N代(dai)表噪聲最大(da)(da)幅值(zhi)。
分析圖(tu)1-11曲線變化規律可知，對(dui)于(yu)深度為70μm的(de)缺陷(xian)，隨著表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度值(zhi)的(de)不斷(duan)增大，檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)信(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)逐(zhu)漸降低。其中，在表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度值(zhi)Ra=12.5μmm的(de)3號(hao)(hao)(hao)(hao)和6號(hao)(hao)(hao)(hao)試(shi)塊上(shang)(shang)，缺陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)信(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)非常(chang)低，已經不能清晰分辨出(chu)缺陷(xian)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)。在表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度值(zhi)Ra＝3.2μm的(de)1號(hao)(hao)(hao)(hao)和4號(hao)(hao)(hao)(hao)試(shi)塊上(shang)(shang)，缺陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)信(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)較高，而平磨試(shi)塊上(shang)(shang)同等深度的(de)缺陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)信(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)最高。由(you)此(ci)可見，對(dui)于(yu)微小缺陷(xian)的(de)檢(jian)測(ce)，表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度會直接影響檢(jian)測(ce)信(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)，較大的(de)表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度值(zhi)甚至會帶(dai)來漏判或誤判。換(huan)言之，在表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度確定的(de)情況下，試(shi)件上(shang)(shang)可檢(jian)測(ce)缺陷(xian)的(de)深度存在極限(xian)。
b. 表(biao)面粗糙(cao)度對不同深度裂紋信噪比(bi)的影響
保持(chi)試(shi)(shi)驗條件不(bu)變，探頭以相同速度(du)掃查所有試(shi)(shi)塊(kuai)，對(dui)不(bu)同深度(du)的裂紋(wen)進行漏磁檢測。各試(shi)(shi)塊(kuai)得(de)到的缺陷檢測信號如圖1-12所示。
分析檢測結果，根據式（1-1）得到在(zai)不同表(biao)面(mian)粗糙度(du)下信號信噪比(bi)關(guan)于裂(lie)紋(wen)深度(du)的關(guan)系曲線，如圖1-13和(he)圖1-14所示。
分(fen)析圖(tu)1-13所示(shi)飛(fei)刀銑表(biao)(biao)面(mian)(mian)上不同深(shen)度(du)缺(que)陷的(de)(de)信噪比曲線(xian)，對于相同的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)，隨著(zhu)人工(gong)裂(lie)紋(wen)深(shen)度(du)的(de)(de)減小，缺(que)陷信號的(de)(de)信噪比降(jiang)低。與(yu)此對應，如圖(tu)1-14所示(shi)，從立銑試塊的(de)(de)測試結果可以看出，在一定表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)下，裂(lie)紋(wen)深(shen)度(du)變化引起(qi)的(de)(de)信噪比變化趨(qu)勢與(yu)飛(fei)刀銑試塊基本一致。但(dan)是，由(you)于表(biao)(biao)面(mian)(mian)加(jia)工(gong)方(fang)式的(de)(de)差異，兩組試塊表(biao)(biao)面(mian)(mian)峰谷不平的(de)(de)分(fen)布規律并非完全一樣，從而導致采用(yong)不同加(jia)工(gong)方(fang)式形成(cheng)的(de)(de)相同表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)表(biao)(biao)面(mian)(mian)上的(de)(de)相同深(shen)度(du)缺(que)陷信噪比不同。
以上(shang)試驗結(jie)果表(biao)明(ming)，在表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度確定的(de)(de)情況下，存在漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測裂紋極(ji)(ji)限深度。如果裂紋深度小于(yu)極(ji)(ji)限深度，受信噪比(bi)的(de)(de)影響，漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測靈敏度將(jiang)降低。表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度對漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測的(de)(de)影響機理在于(yu)，表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度引(yin)起表(biao)面(mian)微觀峰(feng)谷不(bu)平輪(lun)廓，在兩種不(bu)同磁(ci)(ci)(ci)導率材料的(de)(de)分(fen)界(jie)面(mian)上(shang)，存在磁(ci)(ci)(ci)折射(she)現象，上(shang)凸和下凹(ao)的(de)(de)輪(lun)廓引(yin)起了對應表(biao)面(mian)上(shang)方磁(ci)(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)不(bu)同分(fen)布。
3. 粗糙表面的磁場分(fen)布
鐵(tie)磁(ci)性(xing)材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏磁(ci)檢(jian)測機理通(tong)常是基于(yu)下(xia)凹型(xing)缺陷(xian)處的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)場泄漏，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完整的(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)測機理并非傳統簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)描述，如“磁(ci)場泄漏”“產(chan)(chan)(chan)生漏磁(ci)信(xin)(xin)號(hao)(hao)”這(zhe)(zhe)(zhe)樣一個過程。如圖1-15所示(shi)，從磁(ci)折(zhe)射(she)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)角(jiao)度(du)(du)考(kao)慮，漏磁(ci)檢(jian)測中，缺陷(xian)附近的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)感應(ying)強度(du)(du)變化(hua)主要是界(jie)面(mian)兩側(ce)不(bu)(bu)同介質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)導率差異引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是由于(yu)界(jie)面(mian)處的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)折(zhe)射(she)現象，在(zai)凹型(xing)缺陷(xian)如裂紋或腐蝕下(xia)產(chan)(chan)(chan)生“正”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)，而在(zai)小突起物存在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)地方，代(dai)表(biao)凸(tu)狀缺陷(xian)則產(chan)(chan)(chan)生“負”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)。基于(yu)這(zhe)(zhe)(zhe)兩種(zhong)(zhong)情況，前者導致上凸(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)，后者產(chan)(chan)(chan)生一個凹陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)。由于(yu)這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)凹凸(tu)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai)，當感應(ying)單(dan)元沿著凹凸(tu)不(bu)(bu)平的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)進(jin)行(xing)掃查時，捕(bu)獲到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)必定影響最終(zhong)檢(jian)測結(jie)果。在(zai)微尺度(du)(du)條件(jian)(jian)下(xia)，工件(jian)(jian)表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)模型(xing)中，緊密相連的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“上凸(tu)”部分(fen)和(he)“下(xia)凹”部分(fen)會產(chan)(chan)(chan)生不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)折(zhe)射(she)效應(ying)，故采用這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)完整的(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏磁(ci)檢(jian)測機理。
無論(lun)采用哪種加工(gong)方(fang)法，受刀具與零(ling)件(jian)間的(de)運動、摩擦，機床的(de)振(zhen)動及(ji)零(ling)件(jian)的(de)塑性變形等因素的(de)影(ying)響，所獲得的(de)工(gong)件(jian)表(biao)面(mian)(mian)都存在微觀(guan)的(de)不平痕(hen)跡，即為表(biao)面(mian)(mian)粗糙度，通常(chang)波距小于1mm。工(gong)件(jian)在使用過(guo)程中的(de)磨損、腐蝕介質的(de)侵蝕消耗(hao)也會造成表(biao)面(mian)(mian)粗糙，這(zhe)種較小間距的(de)
峰(feng)谷所組成的微(wei)觀幾何輪廓構成表面(mian)紋理(li)粗(cu)糙度，通(tong)常(chang)采用(yong)二維表面(mian)粗(cu)糙度評(ping)定標準即(ji)能基本滿足機加工零件要求，常(chang)用(yong)評(ping)定參數優(you)先選用(yong)輪廓算術(shu)平(ping)(ping)均偏(pian)差Ra，能夠(gou)直接反映工件表面(mian)峰(feng)谷不(bu)平(ping)(ping)的狀態。Ra的定義常(chang)通(tong)過圖1-16表示。
由Ra的(de)(de)(de)(de)定義(yi)可知，其主要(yao)反映工(gong)件表面(mian)(mian)這(zhe)種峰(feng)(feng)谷不(bu)平的(de)(de)(de)(de)狀態，在漏(lou)磁(ci)檢測(ce)中，這(zhe)種峰(feng)(feng)谷不(bu)平的(de)(de)(de)(de)狀態會引起(qi)工(gong)件表面(mian)(mian)磁(ci)場強度(du)的(de)(de)(de)(de)分布變化(hua)。Ra反映的(de)(de)(de)(de)是垂直于工(gong)件表面(mian)(mian)方(fang)(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)(de)高度(du)變化(hua)，漏(lou)磁(ci)檢測(ce)中的(de)(de)(de)(de)垂直于工(gong)件表面(mian)(mian)方(fang)(fang)向(xiang)對應著缺(que)陷的(de)(de)(de)(de)深度(du)方(fang)(fang)向(xiang)，因此建(jian)立表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)元的(de)(de)(de)(de)簡化(hua)模型(xing)可以分析工(gong)件粗(cu)糙(cao)表面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)場分布規律。
通(tong)常采用規(gui)則(ze)的(de)(de)三(san)角形(xing)(xing)鋸齒狀表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)來建立表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)模(mo)(mo)型，模(mo)(mo)擬原本不規(gui)則(ze)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)分布(bu)，便于定性和(he)定量(liang)分析(xi)。仿真模(mo)(mo)型的(de)(de)特(te)點(dian)是三(san)角形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)緊(jin)密相連，其間無間隙。圖1-17所示為仿真分析(xi)獲得工件(jian)及周(zhou)圍(wei)(wei)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)分布(bu)云(yun)圖，表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)模(mo)(mo)型中代表(biao)(biao)峰谷的(de)(de)凹凸三(san)角形(xing)(xing)造成了(le)周(zhou)圍(wei)(wei)空間磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)的(de)(de)分布(bu)變化。A區(qu)(qu)域(yu)代表(biao)(biao)上凸三(san)角形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)，其上方(fang)C區(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)弱(ruo)于該區(qu)(qu)域(yu)周(zhou)圍(wei)(wei)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)；與此同時(shi)，緊(jin)鄰下(xia)凹三(san)角形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)(du)元(yuan)B的(de)(de)上方(fang)也存在區(qu)(qu)域(yu)D，該區(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)大于其周(zhou)圍(wei)(wei)空間的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)。
相對于(yu)基準面，提(ti)離0.15mm，拾取表面上方(fang)一(yi)段(duan)長(chang)度范(fan)圍內磁感應強度水平(ping)分量(liang)變化曲線，如圖1-18所示。圖中(zhong)仿真信(xin)號呈現出上凸下凹的(de)變化規律，與圖1-17中(zhong)的(de)磁感應強度變化規律一(yi)致。
當表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)的高度(du)(du)與缺(que)陷(xian)深度(du)(du)具(ju)有相同(tong)數量級時，表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)引起的磁(ci)(ci)場變化(hua)不可忽略。若缺(que)陷(xian)附(fu)近(jin)表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)產生的漏(lou)磁(ci)(ci)場強度(du)(du)與缺(que)陷(xian)產生的漏(lou)磁(ci)(ci)場強度(du)(du)相當時，將難以分辨出(chu)缺(que)陷(xian)信號。
在上述仿真模(mo)型中(zhong)，增加裂(lie)(lie)紋，仿真計算得到缺(que)陷(xian)所在區域上方(fang)的(de)(de)漏磁場磁感應強度水平(ping)分量(liang)變化曲線如圖1-19所示。顯(xian)然，裂(lie)(lie)紋周圍(wei)的(de)(de)表(biao)面(mian)粗糙度元(yuan)產生(sheng)的(de)(de)磁噪(zao)(zao)聲信(xin)號，降低(di)了缺(que)陷(xian)的(de)(de)信(xin)噪(zao)(zao)比。當然，在實際生(sheng)產過(guo)程中(zhong)，可根據圖1-19 粗糙表(biao)面(mian)裂(lie)(lie)紋上方(fang)漏磁場磁感應強度水平(ping)分量(liang)分布表(biao)面(mian)粗糙度引起的(de)(de)信(xin)號特征，采用合適(shi)的(de)(de)濾波算法去除(chu)噪(zao)(zao)聲信(xin)號，以提高信(xin)噪(zao)(zao)比。
