由加工方法留(liu)下(xia)的表面痕(hen)(hen)跡的深淺、疏(shu)密、形狀和紋理都有差異(yi)，生產運行中(zhong)產生的表面痕(hen)(hen)跡更是千奇百(bai)怪。這些微(wei)觀的和宏(hong)觀的幾(ji)何不平整在漏(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)中(zhong)均會引起磁(ci)(ci)場泄漏(lou)，由此帶(dai)來的背景漏(lou)磁(ci)(ci)場信號將(jiang)會影(ying)響(xiang)微(wei)小裂紋的漏(lou)磁(ci)(ci)場測(ce)量，并進一步影(ying)響(xiang)到漏(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)的檢測(ce)極限。為(wei)此，研究表面粗(cu)糙度對裂紋漏(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)的影(ying)響(xiang)具有重要意義。
1. 表面粗糙度試塊
采用(yong)(yong)Q235碳素結構鋼制作試(shi)(shi)塊(kuai)，試(shi)(shi)塊(kuai)尺(chi)寸長300mm、寬(kuan)100mm、厚14mm。首先，將三(san)塊(kuai)試(shi)(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)利用(yong)(yong)飛刀進行(xing)銑削(xue)加工(gong)，如(ru)圖(tu)1-6所(suo)示，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)(du)值從左(zuo)到(dao)右(you)依(yi)次(ci)為(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號1、2、3。然后，利用(yong)(yong)立銑加工(gong)另(ling)外三(san)塊(kuai)試(shi)(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，如(ru)圖(tu)1-7所(suo)示，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)(du)值從左(zuo)到(dao)右(you)依(yi)次(ci)為(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號4、5、6。另(ling)外，再采用(yong)(yong)平磨加工(gong)一塊(kuai)試(shi)(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，此種方(fang)式獲得的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)質量較好，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)(du)值為(wei)Ra0.2μm，編號7。所(suo)有試(shi)(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)均刻有一組寬(kuan)度(du)(du)(du)為(wei)20μm，深度(du)(du)(du)不同的(de)人(ren)工(gong)線狀缺陷，尺(chi)寸如(ru)圖(tu)1-8所(suo)示，從左(zuo)到(dao)右(you)深度(du)(du)(du)依(yi)次(ci)為(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰缺陷的(de)間距為(wei)70mm。
2. 表面粗(cu)糙度對漏(lou)磁檢測信號的影響試驗(yan)
檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置主要由(you)(you)磁(ci)化(hua)器、檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)、信(xin)號采(cai)集系(xi)統(tong)、上位機等部分(fen)組(zu)(zu)成，如(ru)圖1-9所示(shi)。磁(ci)化(hua)器由(you)(you)兩組(zu)(zu)線圈組(zu)(zu)成，檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)安(an)裝(zhuang)在(zai)兩組(zu)(zu)線圈中間，以保(bao)證檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)所在(zai)的(de)位置磁(ci)場分(fen)布均勻。探(tan)(tan)頭(tou)安(an)裝(zhuang)在(zai)一(yi)T形支架上，T形支架固定在(zai)兩組(zu)(zu)線圈上方。鋼板(ban)在(zai)支撐輪的(de)驅動(dong)下(xia)做勻速(su)運動(dong)，在(zai)移動(dong)過程中，試塊始(shi)終與探(tan)(tan)頭(tou)保(bao)持緊(jin)密(mi)貼合。檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)將磁(ci)場信(xin)息轉(zhuan)換(huan)成電信(xin)號，并由(you)(you)采(cai)集卡進行A-D轉(zhuan)換(huan)后進入計算機，由(you)(you)上位機軟件(jian)進行顯示(shi)。
a. 表面(mian)粗(cu)糙(cao)度對同一深度裂紋信(xin)噪(zao)比(bi)的影(ying)響(xiang)
首(shou)先(xian)，利用平磨(mo)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)7進行飽(bao)和磁化(hua)下的漏磁檢測試(shi)(shi)驗。試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)的磁化(hua)方(fang)向(xiang)垂直(zhi)于(yu)人(ren)工線狀缺陷，試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)以(yi)恒定的速度沿(yan)磁化(hua)方(fang)向(xiang)運動，檢測結果如圖1-10所示。
從圖(tu)中(zhong)可以看出(chu)，由(you)于平磨(mo)的表面質量較好，并未帶來明顯的噪(zao)聲信(xin)號(hao)。另外，信(xin)號(hao)峰(feng)值(zhi)與缺(que)陷的深度(du)成正相關規律，當缺(que)陷深度(du)為(wei)20μm左右時，基本無法檢測出(chu)缺(que)陷信(xin)號(hao)。
保持試驗(yan)條件不變(bian)，獲得1～7號試塊上70μm缺陷的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比，如(ru)圖1-11所示，信(xin)(xin)噪(zao)比公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代表信號最大幅值(zhi)(zhi)；N代表噪聲最大幅值(zhi)(zhi)。
分析圖1-11曲線變化規律可知，對于深(shen)度(du)為70μm的(de)缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)，隨著表(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)的(de)不斷增大，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)逐(zhu)漸降低。其中，在(zai)(zai)表(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)Ra=12.5μmm的(de)3號(hao)和(he)(he)6號(hao)試塊上，缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)非(fei)常低，已經不能(neng)清(qing)晰分辨出缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)信(xin)(xin)(xin)號(hao)。在(zai)(zai)表(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)Ra＝3.2μm的(de)1號(hao)和(he)(he)4號(hao)試塊上，缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)較高，而平(ping)磨試塊上同等深(shen)度(du)的(de)缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)最高。由此可見，對于微(wei)小缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)，表(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)會直接影響檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)，較大的(de)表(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)甚至會帶來(lai)漏判或誤判。換言之，在(zai)(zai)表(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)確定的(de)情況(kuang)下，試件上可檢(jian)(jian)(jian)測(ce)缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)深(shen)度(du)存在(zai)(zai)極限。
b. 表(biao)面粗糙(cao)度對(dui)不同深度裂(lie)紋(wen)信噪比的影響
保持(chi)試驗條件(jian)不(bu)變，探頭以相同(tong)(tong)速度掃(sao)查所有試塊，對(dui)不(bu)同(tong)(tong)深度的(de)(de)裂紋(wen)進行漏磁檢測。各試塊得到的(de)(de)缺陷檢測信(xin)號如圖1-12所示。
分析檢測(ce)結(jie)果，根(gen)據式（1-1）得到在不同表面粗糙度(du)下信(xin)號信(xin)噪比關于裂紋深度(du)的關系(xi)曲線，如圖1-13和圖1-14所示(shi)。
分(fen)析圖1-13所示(shi)飛(fei)刀(dao)銑(xian)表面(mian)上(shang)不(bu)同(tong)(tong)深度缺陷的(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)曲線(xian)，對于相同(tong)(tong)的(de)表面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度，隨著人工裂紋(wen)深度的(de)減小(xiao)，缺陷信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)降低(di)。與此(ci)對應(ying)，如(ru)圖1-14所示(shi)，從(cong)立銑(xian)試(shi)塊(kuai)(kuai)的(de)測試(shi)結果可以看(kan)出(chu)，在一(yi)定表面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度下，裂紋(wen)深度變化引(yin)起(qi)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)變化趨勢與飛(fei)刀(dao)銑(xian)試(shi)塊(kuai)(kuai)基(ji)本一(yi)致。但是，由于表面(mian)加工方(fang)(fang)式(shi)的(de)差異(yi)，兩(liang)組(zu)試(shi)塊(kuai)(kuai)表面(mian)峰谷(gu)不(bu)平的(de)分(fen)布規律并非完全一(yi)樣(yang)，從(cong)而導致采用不(bu)同(tong)(tong)加工方(fang)(fang)式(shi)形成的(de)相同(tong)(tong)表面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度表面(mian)上(shang)的(de)相同(tong)(tong)深度缺陷信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)不(bu)同(tong)(tong)。
以上(shang)試驗結果(guo)表(biao)明，在(zai)表(biao)面(mian)粗糙度(du)確(que)定的(de)(de)情況(kuang)下(xia)(xia)，存在(zai)漏(lou)(lou)磁檢測裂(lie)紋極限深度(du)。如果(guo)裂(lie)紋深度(du)小于極限深度(du)，受信噪比的(de)(de)影(ying)響，漏(lou)(lou)磁檢測靈敏(min)度(du)將降(jiang)低(di)。表(biao)面(mian)粗糙度(du)對漏(lou)(lou)磁檢測的(de)(de)影(ying)響機理在(zai)于，表(biao)面(mian)粗糙度(du)引起(qi)表(biao)面(mian)微觀峰谷不(bu)平輪廓，在(zai)兩種不(bu)同磁導率材料的(de)(de)分(fen)界面(mian)上(shang)，存在(zai)磁折射現象，上(shang)凸(tu)和下(xia)(xia)凹的(de)(de)輪廓引起(qi)了(le)對應表(biao)面(mian)上(shang)方磁場的(de)(de)不(bu)同分(fen)布。
3. 粗(cu)糙(cao)表面的磁場分(fen)布
鐵磁(ci)(ci)性(xing)材料的(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)(ce)機理通(tong)常是(shi)基于(yu)下(xia)(xia)凹(ao)(ao)型(xing)缺(que)(que)(que)陷(xian)處的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)泄漏(lou)(lou)，而(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)(wan)整的(de)(de)檢測(ce)(ce)機理并非傳統簡單的(de)(de)描述(shu)，如“磁(ci)(ci)場(chang)泄漏(lou)(lou)”“產(chan)(chan)生漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)信(xin)號(hao)”這樣一個過程(cheng)。如圖1-15所示，從磁(ci)(ci)折射(she)的(de)(de)角(jiao)度(du)考慮，漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)(ce)中(zhong)，缺(que)(que)(que)陷(xian)附近的(de)(de)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強度(du)變(bian)化主要是(shi)界面(mian)(mian)兩側不(bu)同介質(zhi)的(de)(de)磁(ci)(ci)導率差異引起的(de)(de)。不(bu)同的(de)(de)是(shi)由(you)(you)于(yu)界面(mian)(mian)處的(de)(de)磁(ci)(ci)折射(she)現象，在(zai)凹(ao)(ao)型(xing)缺(que)(que)(que)陷(xian)如裂紋或腐(fu)蝕下(xia)(xia)產(chan)(chan)生“正”的(de)(de)MFL信(xin)號(hao)，而(er)在(zai)小(xiao)突起物存(cun)在(zai)的(de)(de)地方，代表(biao)凸狀(zhuang)缺(que)(que)(que)陷(xian)則產(chan)(chan)生“負(fu)”的(de)(de)MFL信(xin)號(hao)。基于(yu)這兩種情況，前者(zhe)導致上(shang)(shang)凸的(de)(de)信(xin)號(hao)，后者(zhe)產(chan)(chan)生一個凹(ao)(ao)陷(xian)的(de)(de)信(xin)號(hao)。由(you)(you)于(yu)這種凹(ao)(ao)凸信(xin)號(hao)的(de)(de)存(cun)在(zai)，當感(gan)應(ying)單元沿著凹(ao)(ao)凸不(bu)平的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)進行掃(sao)查時，捕獲到(dao)的(de)(de)信(xin)號(hao)必定影響最終檢測(ce)(ce)結果。在(zai)微尺度(du)條件(jian)下(xia)(xia)，工(gong)件(jian)表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)模型(xing)中(zhong)，緊密相連的(de)(de)“上(shang)(shang)凸”部分(fen)和“下(xia)(xia)凹(ao)(ao)”部分(fen)會產(chan)(chan)生不(bu)同的(de)(de)磁(ci)(ci)折射(she)效應(ying)，故采用這種完(wan)(wan)整的(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)(ce)機理。
無(wu)論采用哪種(zhong)加工方法(fa)，受刀具與零(ling)件間的(de)運動、摩擦，機(ji)床的(de)振動及零(ling)件的(de)塑性變形等因(yin)素(su)的(de)影響，所獲得的(de)工件表面都(dou)存在微觀(guan)的(de)不平痕跡(ji)，即為表面粗糙度，通常(chang)波距(ju)(ju)小(xiao)于1mm。工件在使用過程中的(de)磨損、腐蝕(shi)介質的(de)侵蝕(shi)消耗(hao)也會(hui)造成表面粗糙，這種(zhong)較小(xiao)間距(ju)(ju)的(de)
峰谷所組成的微觀幾(ji)何輪廓構(gou)成表面(mian)紋理粗(cu)糙度(du)，通(tong)常(chang)采用二維(wei)表面(mian)粗(cu)糙度(du)評定標準即(ji)能基本滿足機加工零件(jian)要求，常(chang)用評定參數優先選(xuan)用輪廓算術平均偏差Ra，能夠直接反映工件(jian)表面(mian)峰谷不(bu)平的狀態(tai)。Ra的定義常(chang)通(tong)過圖1-16表示。
由Ra的定義可知，其(qi)主要反(fan)映工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)這種(zhong)峰(feng)谷不平的狀態(tai)，在漏磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測中，這種(zhong)峰(feng)谷不平的狀態(tai)會引起工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)強度(du)的分(fen)布變(bian)化。Ra反(fan)映的是垂直于(yu)工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)方向的高度(du)變(bian)化，漏磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測中的垂直于(yu)工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)方向對應著(zhu)缺陷(xian)的深度(du)方向，因此建立表(biao)面(mian)粗糙度(du)元的簡(jian)化模型可以分(fen)析(xi)工(gong)(gong)件(jian)粗糙表(biao)面(mian)的漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)分(fen)布規律。
通常(chang)采用(yong)規則(ze)的(de)(de)三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)鋸(ju)齒狀表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)元來(lai)建立表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)，模(mo)擬(ni)原本不(bu)規則(ze)的(de)(de)表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)元分(fen)布，便于定(ding)性和定(ding)量分(fen)析。仿(fang)真模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)特點是三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)元緊(jin)密相(xiang)連，其間無間隙。圖1-17所示為仿(fang)真分(fen)析獲(huo)得工件(jian)及周(zhou)圍(wei)的(de)(de)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)分(fen)布云圖，表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)中代表(biao)峰(feng)谷的(de)(de)凹凸三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)造成(cheng)了周(zhou)圍(wei)空間磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)的(de)(de)分(fen)布變化。A區(qu)域(yu)代表(biao)上凸三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)元，其上方C區(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)弱(ruo)于該區(qu)域(yu)周(zhou)圍(wei)的(de)(de)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)；與此同(tong)時(shi)，緊(jin)鄰下凹三(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)表(biao)面粗(cu)(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)元B的(de)(de)上方也存在區(qu)域(yu)D，該區(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)大于其周(zhou)圍(wei)空間的(de)(de)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)。
相(xiang)對(dui)于基準面，提離(li)0.15mm，拾取表面上方(fang)一段長(chang)度范(fan)圍內磁感(gan)應(ying)強(qiang)度水平(ping)分(fen)量變(bian)化曲線，如圖1-18所示。圖中仿真信(xin)號呈現出上凸下凹的變(bian)化規(gui)律，與(yu)圖1-17中的磁感(gan)應(ying)強(qiang)度變(bian)化規(gui)律一致。
當(dang)表(biao)(biao)面粗糙度(du)(du)元的(de)(de)高度(du)(du)與(yu)缺陷(xian)深度(du)(du)具有相同數量級時，表(biao)(biao)面粗糙度(du)(du)元引起的(de)(de)磁(ci)場變(bian)化不可忽略。若(ruo)缺陷(xian)附近表(biao)(biao)面粗糙度(du)(du)元產(chan)生的(de)(de)漏(lou)磁(ci)場強度(du)(du)與(yu)缺陷(xian)產(chan)生的(de)(de)漏(lou)磁(ci)場強度(du)(du)相當(dang)時，將難以分辨出缺陷(xian)信號。
在上述仿真模型中，增加裂紋(wen)(wen)，仿真計算得到缺陷(xian)所(suo)在區域上方的(de)(de)漏磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度水平(ping)分量(liang)變化曲線如圖1-19所(suo)示。顯然，裂紋(wen)(wen)周圍的(de)(de)表(biao)面粗(cu)糙度元產(chan)生的(de)(de)磁(ci)(ci)噪聲(sheng)信(xin)(xin)(xin)號，降低(di)了缺陷(xian)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪比。當然，在實際生產(chan)過(guo)程中，可根據圖1-19 粗(cu)糙表(biao)面裂紋(wen)(wen)上方漏磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度水平(ping)分量(liang)分布表(biao)面粗(cu)糙度引起的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)號特征(zheng)，采用合(he)適的(de)(de)濾波算法去除(chu)噪聲(sheng)信(xin)(xin)(xin)號，以提(ti)高信(xin)(xin)(xin)噪比。
