由加工方(fang)法(fa)留下的(de)(de)(de)表面(mian)痕跡的(de)(de)(de)深淺(qian)、疏密(mi)、形(xing)狀和紋理都(dou)有差異，生產(chan)運行中產(chan)生的(de)(de)(de)表面(mian)痕跡更是千奇百怪。這些微觀的(de)(de)(de)和宏觀的(de)(de)(de)幾何不平整(zheng)在(zai)漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)中均會(hui)引起磁(ci)場(chang)泄(xie)漏(lou)(lou)，由此帶來的(de)(de)(de)背景漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)信號將會(hui)影響(xiang)(xiang)微小(xiao)裂紋的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)測(ce)(ce)量，并進一(yi)步影響(xiang)(xiang)到漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)極限(xian)。為此，研究表面(mian)粗糙度(du)對裂紋漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)(de)影響(xiang)(xiang)具(ju)有重要意義。
1. 表(biao)面(mian)粗糙度試塊(kuai)
采用(yong)Q235碳素結構鋼制作試(shi)塊(kuai)(kuai)，試(shi)塊(kuai)(kuai)尺寸長300mm、寬(kuan)100mm、厚14mm。首先，將三塊(kuai)(kuai)試(shi)塊(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)利用(yong)飛刀(dao)進行銑(xian)(xian)削加工(gong)，如(ru)(ru)圖1-6所(suo)示，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)從左到右(you)依(yi)次(ci)為(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號1、2、3。然后(hou)，利用(yong)立銑(xian)(xian)加工(gong)另外三塊(kuai)(kuai)試(shi)塊(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，如(ru)(ru)圖1-7所(suo)示，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)從左到右(you)依(yi)次(ci)為(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號4、5、6。另外，再采用(yong)平磨加工(gong)一(yi)塊(kuai)(kuai)試(shi)塊(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，此種方式獲得的表(biao)(biao)面(mian)(mian)質量較好(hao)，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)為(wei)Ra0.2μm，編號7。所(suo)有(you)試(shi)塊(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)均刻有(you)一(yi)組寬(kuan)度(du)為(wei)20μm，深度(du)不同的人工(gong)線狀(zhuang)缺陷(xian)，尺寸如(ru)(ru)圖1-8所(suo)示，從左到右(you)深度(du)依(yi)次(ci)為(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰(lin)缺陷(xian)的間距為(wei)70mm。
2. 表面粗糙度對漏(lou)磁檢(jian)測信號的影響試驗
檢測(ce)(ce)裝(zhuang)置(zhi)主要(yao)由(you)(you)磁(ci)化器(qi)、檢測(ce)(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)、信號采集系統、上位(wei)機(ji)等部(bu)分(fen)組成(cheng)，如圖1-9所(suo)示(shi)(shi)。磁(ci)化器(qi)由(you)(you)兩組線(xian)圈(quan)(quan)組成(cheng)，檢測(ce)(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)安裝(zhuang)在(zai)兩組線(xian)圈(quan)(quan)中(zhong)間，以保(bao)證(zheng)檢測(ce)(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)所(suo)在(zai)的位(wei)置(zhi)磁(ci)場分(fen)布均勻(yun)。探(tan)(tan)頭(tou)(tou)安裝(zhuang)在(zai)一T形支(zhi)架(jia)上，T形支(zhi)架(jia)固定在(zai)兩組線(xian)圈(quan)(quan)上方。鋼(gang)板在(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)(tan)頭(tou)(tou)保(bao)持緊密貼合。檢測(ce)(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)將磁(ci)場信息轉換成(cheng)電信號，并(bing)由(you)(you)采集卡進(jin)行A-D轉換后進(jin)入(ru)計算機(ji)，由(you)(you)上位(wei)機(ji)軟件進(jin)行顯(xian)示(shi)(shi)。
a. 表面粗(cu)糙(cao)度(du)對同一深度(du)裂紋(wen)信(xin)噪比的影響
首先(xian)，利用平(ping)磨試塊(kuai)7進行飽和磁(ci)化下(xia)的(de)漏磁(ci)檢測試驗(yan)。試塊(kuai)的(de)磁(ci)化方向垂直(zhi)于人工線狀(zhuang)缺陷，試塊(kuai)以恒定(ding)的(de)速(su)度沿磁(ci)化方向運動，檢測結果如圖1-10所示(shi)。
從圖(tu)中可以(yi)看出(chu)，由于(yu)平磨(mo)的表面質量(liang)較(jiao)好(hao)，并未帶(dai)來明顯的噪聲信號。另外，信號峰值與缺陷的深度(du)成正相關規(gui)律，當缺陷深度(du)為20μm左右時，基(ji)本無法檢測出(chu)缺陷信號。
保持試(shi)驗條件(jian)不(bu)變，獲得1～7號試(shi)塊(kuai)上(shang)70μm缺陷的信噪(zao)比，如圖1-11所示(shi)，信噪(zao)比公(gong)式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式(shi)中，S代表信號最(zui)大幅值(zhi)(zhi)；N代表噪聲最(zui)大幅值(zhi)(zhi)。
分析圖1-11曲(qu)線變化規律(lv)可(ke)知，對于深度(du)為70μm的(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)，隨著表面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)值的(de)(de)(de)(de)不斷增(zeng)大，檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)逐漸降(jiang)低。其中，在(zai)表面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)值Ra=12.5μmm的(de)(de)(de)(de)3號(hao)和6號(hao)試塊上，缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)非常低，已經不能清晰分辨(bian)出(chu)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)信(xin)(xin)(xin)號(hao)。在(zai)表面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)值Ra＝3.2μm的(de)(de)(de)(de)1號(hao)和4號(hao)試塊上，缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)較高，而平磨試塊上同等深度(du)的(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)最(zui)高。由此(ci)可(ke)見，對于微(wei)小缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)，表面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)會(hui)直接影響檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)，較大的(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)值甚(shen)至會(hui)帶來(lai)漏判或誤判。換言之，在(zai)表面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)確定的(de)(de)(de)(de)情況下，試件(jian)上可(ke)檢(jian)測(ce)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)深度(du)存在(zai)極限。
b. 表面粗糙度(du)對不同深度(du)裂紋信噪比的(de)影(ying)響(xiang)
保(bao)持試(shi)驗條件不變，探頭(tou)以相同速度掃查所(suo)有試(shi)塊(kuai)，對不同深度的裂(lie)紋進行(xing)漏磁檢測(ce)。各試(shi)塊(kuai)得(de)到的缺(que)陷檢測(ce)信(xin)號如圖1-12所(suo)示。
分析檢測結果，根據式（1-1）得到在不同(tong)表面粗糙度(du)下信號信噪比關(guan)于裂紋深(shen)度(du)的關(guan)系曲線，如圖(tu)1-13和圖(tu)1-14所示。
分析圖1-13所示(shi)飛刀(dao)(dao)銑(xian)表(biao)面(mian)(mian)上(shang)不同(tong)深(shen)度(du)缺陷的(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比曲線，對(dui)于(yu)相同(tong)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)，隨著人工(gong)(gong)裂(lie)紋深(shen)度(du)的(de)(de)(de)減小，缺陷信(xin)號的(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比降(jiang)低。與此對(dui)應，如圖1-14所示(shi)，從立(li)銑(xian)試塊(kuai)的(de)(de)(de)測試結果可(ke)以看出，在(zai)一(yi)定表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)下(xia)，裂(lie)紋深(shen)度(du)變化引起(qi)的(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比變化趨勢與飛刀(dao)(dao)銑(xian)試塊(kuai)基本一(yi)致。但是(shi)，由于(yu)表(biao)面(mian)(mian)加工(gong)(gong)方式(shi)的(de)(de)(de)差異，兩組試塊(kuai)表(biao)面(mian)(mian)峰谷不平的(de)(de)(de)分布(bu)規律并(bing)非完全一(yi)樣，從而導(dao)致采用不同(tong)加工(gong)(gong)方式(shi)形成的(de)(de)(de)相同(tong)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)表(biao)面(mian)(mian)上(shang)的(de)(de)(de)相同(tong)深(shen)度(du)缺陷信(xin)噪(zao)比不同(tong)。
以上試驗結果(guo)表明，在表面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)確定的情況下，存(cun)在漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測裂紋極限深度(du)。如果(guo)裂紋深度(du)小于極限深度(du)，受信噪比的影響，漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測靈敏度(du)將(jiang)降低(di)。表面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)對(dui)漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測的影響機(ji)理在于，表面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)引起表面(mian)(mian)微觀峰谷(gu)不平輪廓，在兩種不同(tong)磁(ci)導率材(cai)料的分界面(mian)(mian)上，存(cun)在磁(ci)折(zhe)射現象，上凸和(he)下凹的輪廓引起了對(dui)應表面(mian)(mian)上方磁(ci)場(chang)的不同(tong)分布。
3. 粗糙表面的磁場分(fen)布
鐵磁(ci)(ci)(ci)性材料的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)機(ji)理(li)通常是基于下(xia)凹(ao)型缺陷(xian)(xian)處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場泄漏(lou)(lou)，而(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完整的(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)機(ji)理(li)并非傳統簡(jian)單的(de)(de)(de)描述，如(ru)“磁(ci)(ci)(ci)場泄漏(lou)(lou)”“產(chan)(chan)生(sheng)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)信號(hao)(hao)(hao)”這(zhe)樣一個過程。如(ru)圖1-15所示(shi)，從(cong)磁(ci)(ci)(ci)折射的(de)(de)(de)角度考慮，漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)中，缺陷(xian)(xian)附近的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應(ying)強度變化主要是界(jie)面(mian)兩側不(bu)(bu)同(tong)介質的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)導率差異引起的(de)(de)(de)。不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)是由(you)于界(jie)面(mian)處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折射現象，在(zai)凹(ao)型缺陷(xian)(xian)如(ru)裂紋或腐蝕(shi)下(xia)產(chan)(chan)生(sheng)“正”的(de)(de)(de)MFL信號(hao)(hao)(hao)，而(er)在(zai)小突(tu)起物存在(zai)的(de)(de)(de)地方，代表凸(tu)狀(zhuang)缺陷(xian)(xian)則產(chan)(chan)生(sheng)“負”的(de)(de)(de)MFL信號(hao)(hao)(hao)。基于這(zhe)兩種(zhong)情況，前者導致上凸(tu)的(de)(de)(de)信號(hao)(hao)(hao)，后者產(chan)(chan)生(sheng)一個凹(ao)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)信號(hao)(hao)(hao)。由(you)于這(zhe)種(zhong)凹(ao)凸(tu)信號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)存在(zai)，當感(gan)應(ying)單元沿(yan)著凹(ao)凸(tu)不(bu)(bu)平的(de)(de)(de)表面(mian)進行掃查時，捕(bu)獲到的(de)(de)(de)信號(hao)(hao)(hao)必定影響最終檢(jian)測(ce)(ce)結果。在(zai)微尺度條件下(xia)，工件表面(mian)的(de)(de)(de)表面(mian)粗糙(cao)度模型中，緊(jin)密相連的(de)(de)(de)“上凸(tu)”部分(fen)和“下(xia)凹(ao)”部分(fen)會產(chan)(chan)生(sheng)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折射效應(ying)，故采用這(zhe)種(zhong)完整的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)機(ji)理(li)。
無論(lun)采(cai)用哪種加工(gong)方法，受刀具與零(ling)件(jian)間(jian)的(de)運動(dong)、摩(mo)擦，機床的(de)振動(dong)及零(ling)件(jian)的(de)塑性變形(xing)等因素的(de)影(ying)響，所獲(huo)得的(de)工(gong)件(jian)表面都存在微觀的(de)不平(ping)痕(hen)跡，即為表面粗糙度，通(tong)常波距小于1mm。工(gong)件(jian)在使用過程(cheng)中(zhong)的(de)磨損、腐蝕(shi)介質的(de)侵蝕(shi)消(xiao)耗也會造成表面粗糙，這種較小間(jian)距的(de)
峰谷所組成的(de)微觀幾何輪廓(kuo)構成表面紋(wen)理粗(cu)糙(cao)度，通(tong)常(chang)采(cai)用二維(wei)表面粗(cu)糙(cao)度評定(ding)標(biao)準即能(neng)(neng)基本滿足機加(jia)工零件要求，常(chang)用評定(ding)參數優先選用輪廓(kuo)算術平均偏差Ra，能(neng)(neng)夠(gou)直接反映工件表面峰谷不(bu)平的(de)狀態。Ra的(de)定(ding)義(yi)常(chang)通(tong)過圖1-16表示。
由Ra的(de)定(ding)義可知，其主要反映(ying)工(gong)(gong)(gong)件表(biao)面這種峰谷不平的(de)狀態(tai)，在漏磁(ci)檢測中(zhong)，這種峰谷不平的(de)狀態(tai)會(hui)引起工(gong)(gong)(gong)件表(biao)面磁(ci)場強度(du)的(de)分(fen)(fen)布(bu)變(bian)化(hua)。Ra反映(ying)的(de)是垂直于工(gong)(gong)(gong)件表(biao)面方向的(de)高度(du)變(bian)化(hua)，漏磁(ci)檢測中(zhong)的(de)垂直于工(gong)(gong)(gong)件表(biao)面方向對應著(zhu)缺陷的(de)深度(du)方向，因此建立表(biao)面粗糙度(du)元的(de)簡化(hua)模型可以分(fen)(fen)析工(gong)(gong)(gong)件粗糙表(biao)面的(de)漏磁(ci)場分(fen)(fen)布(bu)規律。
通(tong)常(chang)采用(yong)規(gui)(gui)則(ze)(ze)的(de)三(san)角形(xing)(xing)(xing)鋸齒(chi)狀表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元來建立表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模(mo)(mo)型，模(mo)(mo)擬原本不規(gui)(gui)則(ze)(ze)的(de)表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元分(fen)(fen)(fen)布，便于定(ding)性和定(ding)量分(fen)(fen)(fen)析。仿(fang)真(zhen)模(mo)(mo)型的(de)特點是三(san)角形(xing)(xing)(xing)表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元緊密(mi)相連，其(qi)間(jian)(jian)無間(jian)(jian)隙。圖1-17所示為(wei)仿(fang)真(zhen)分(fen)(fen)(fen)析獲得(de)工件及周(zhou)圍的(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)分(fen)(fen)(fen)布云(yun)圖，表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模(mo)(mo)型中代(dai)(dai)表(biao)(biao)峰谷的(de)凹(ao)凸三(san)角形(xing)(xing)(xing)造成了周(zhou)圍空間(jian)(jian)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)的(de)分(fen)(fen)(fen)布變化。A區(qu)域代(dai)(dai)表(biao)(biao)上(shang)凸三(san)角形(xing)(xing)(xing)表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元，其(qi)上(shang)方C區(qu)域的(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)弱于該區(qu)域周(zhou)圍的(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)；與此同時，緊鄰下凹(ao)三(san)角形(xing)(xing)(xing)表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元B的(de)上(shang)方也存在區(qu)域D，該區(qu)域的(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)大于其(qi)周(zhou)圍空間(jian)(jian)的(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)。
相對(dui)于基準面，提離0.15mm，拾取表面上(shang)(shang)方一(yi)(yi)段長度范圍內磁感應(ying)(ying)強度水平(ping)分量變(bian)(bian)化(hua)曲線，如圖1-18所(suo)示。圖中仿真信(xin)號(hao)呈現出上(shang)(shang)凸(tu)下凹的(de)變(bian)(bian)化(hua)規(gui)律，與圖1-17中的(de)磁感應(ying)(ying)強度變(bian)(bian)化(hua)規(gui)律一(yi)(yi)致。
當表面(mian)粗糙度(du)(du)元(yuan)的(de)高度(du)(du)與缺(que)(que)陷深度(du)(du)具(ju)有相同數量級時(shi)，表面(mian)粗糙度(du)(du)元(yuan)引(yin)起(qi)的(de)磁(ci)場變化不可忽略(lve)。若缺(que)(que)陷附近表面(mian)粗糙度(du)(du)元(yuan)產(chan)生(sheng)的(de)漏(lou)磁(ci)場強(qiang)度(du)(du)與缺(que)(que)陷產(chan)生(sheng)的(de)漏(lou)磁(ci)場強(qiang)度(du)(du)相當時(shi)，將難以分(fen)辨出(chu)缺(que)(que)陷信號。
在(zai)上述仿真(zhen)模型(xing)中(zhong)，增(zeng)加裂紋，仿真(zhen)計算得到缺陷所在(zai)區域上方(fang)的漏磁(ci)場(chang)磁(ci)感應(ying)強(qiang)度(du)(du)水平分量(liang)變化曲線如圖(tu)1-19所示。顯然(ran)，裂紋周圍的表(biao)面粗(cu)糙度(du)(du)元產(chan)(chan)生(sheng)的磁(ci)噪聲信(xin)(xin)(xin)號(hao)，降(jiang)低了缺陷的信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)。當然(ran)，在(zai)實(shi)際生(sheng)產(chan)(chan)過程中(zhong)，可(ke)根據(ju)圖(tu)1-19 粗(cu)糙表(biao)面裂紋上方(fang)漏磁(ci)場(chang)磁(ci)感應(ying)強(qiang)度(du)(du)水平分量(liang)分布(bu)表(biao)面粗(cu)糙度(du)(du)引起的信(xin)(xin)(xin)號(hao)特(te)征，采用(yong)合適的濾波算法去除噪聲信(xin)(xin)(xin)號(hao)，以提高信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)(bi)。
