由(you)加工方法(fa)留(liu)下的(de)表面(mian)痕跡的(de)深(shen)淺(qian)、疏密、形(xing)狀和紋理(li)都有(you)差異(yi)，生(sheng)產運行中產生(sheng)的(de)表面(mian)痕跡更是千奇(qi)百怪。這些微觀(guan)的(de)和宏觀(guan)的(de)幾(ji)何不(bu)平整在漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)中均會(hui)引(yin)起磁(ci)(ci)場(chang)泄漏(lou)，由(you)此帶來的(de)背景漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)信號將會(hui)影響微小裂紋的(de)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)測(ce)量，并(bing)進一步影響到漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)的(de)檢(jian)測(ce)極限。為此，研究表面(mian)粗糙度對裂紋漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)的(de)影響具有(you)重要意義。
1. 表面粗糙度(du)試塊
采(cai)用(yong)(yong)Q235碳(tan)素結構(gou)鋼制作(zuo)試(shi)塊(kuai)，試(shi)塊(kuai)尺寸長300mm、寬100mm、厚14mm。首先，將三塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表面(mian)(mian)利(li)(li)用(yong)(yong)飛(fei)刀進行銑削加(jia)工(gong)，如(ru)圖1-6所(suo)(suo)示(shi)，其表面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)值從(cong)左(zuo)到(dao)右依次為Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號1、2、3。然(ran)后，利(li)(li)用(yong)(yong)立銑加(jia)工(gong)另外三塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表面(mian)(mian)，如(ru)圖1-7所(suo)(suo)示(shi)，其表面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)值從(cong)左(zuo)到(dao)右依次為 Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號4、5、6。另外，再采(cai)用(yong)(yong)平磨(mo)加(jia)工(gong)一塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表面(mian)(mian)，此種方(fang)式獲得的(de)表面(mian)(mian)質量(liang)較好，其表面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)值為Ra0.2μm，編號7。所(suo)(suo)有試(shi)塊(kuai)表面(mian)(mian)均(jun)刻有一組寬度(du)(du)為20μm，深度(du)(du)不(bu)同的(de)人工(gong)線狀缺(que)陷，尺寸如(ru)圖1-8所(suo)(suo)示(shi)，從(cong)左(zuo)到(dao)右深度(du)(du)依次為20μm、45μm、70μm，相鄰(lin)缺(que)陷的(de)間距為70mm。
2. 表面粗糙度對(dui)漏(lou)磁(ci)檢測信號(hao)的(de)影響(xiang)試驗
檢測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置主要由磁化器、檢測(ce)探(tan)頭(tou)(tou)、信號(hao)采集系統、上位機等部分組(zu)成，如圖1-9所(suo)示(shi)。磁化器由兩(liang)(liang)組(zu)線圈組(zu)成，檢測(ce)探(tan)頭(tou)(tou)安(an)裝(zhuang)(zhuang)在(zai)(zai)兩(liang)(liang)組(zu)線圈中(zhong)間，以保證檢測(ce)探(tan)頭(tou)(tou)所(suo)在(zai)(zai)的(de)位置磁場分布(bu)均勻(yun)。探(tan)頭(tou)(tou)安(an)裝(zhuang)(zhuang)在(zai)(zai)一T形支架上，T形支架固定在(zai)(zai)兩(liang)(liang)組(zu)線圈上方。鋼板在(zai)(zai)支撐輪(lun)的(de)驅動下做勻(yun)速運動，在(zai)(zai)移(yi)動過程中(zhong)，試(shi)塊始(shi)終(zhong)與探(tan)頭(tou)(tou)保持緊密貼合。檢測(ce)探(tan)頭(tou)(tou)將磁場信息轉(zhuan)換成電(dian)信號(hao)，并由采集卡(ka)進行A-D轉(zhuan)換后進入(ru)計算機，由上位機軟(ruan)件(jian)進行顯示(shi)。
a. 表面粗糙度對同一(yi)深度裂(lie)紋(wen)信(xin)噪比的(de)影響
首先，利用平(ping)磨試(shi)塊(kuai)7進行飽和磁(ci)化下的(de)漏磁(ci)檢(jian)測(ce)試(shi)驗。試(shi)塊(kuai)的(de)磁(ci)化方向垂直于人工線(xian)狀缺陷(xian)，試(shi)塊(kuai)以恒定的(de)速度沿磁(ci)化方向運動(dong)，檢(jian)測(ce)結(jie)果如圖1-10所示(shi)。
從圖(tu)中(zhong)可以(yi)看出，由于平磨的(de)(de)表面質量較好，并未(wei)帶來明顯(xian)的(de)(de)噪聲信(xin)號(hao)。另外(wai)，信(xin)號(hao)峰值(zhi)與缺陷(xian)的(de)(de)深度成正相(xiang)關規律，當缺陷(xian)深度為20μm左右時(shi)，基本(ben)無法(fa)檢測出缺陷(xian)信(xin)號(hao)。
保持試(shi)驗(yan)條件不變，獲得1～7號(hao)試(shi)塊上70μm缺陷的信(xin)噪比(bi)，如圖1-11所(suo)示，信(xin)噪比(bi)公式為(wei) : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代(dai)表(biao)信號最大幅(fu)值；N代(dai)表(biao)噪(zao)聲最大幅(fu)值。
分析圖(tu)1-11曲線變(bian)化規律可(ke)知，對于深(shen)度(du)為70μm的(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)，隨著表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)的(de)(de)(de)(de)不斷增大，檢(jian)測信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)逐漸降低(di)。其中，在表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)Ra=12.5μmm的(de)(de)(de)(de)3號(hao)和(he)6號(hao)試(shi)塊(kuai)上(shang)(shang)，缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)測信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)非常低(di)，已(yi)經不能清晰分辨出缺(que)(que)陷(xian)信(xin)號(hao)。在表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)Ra＝3.2μm的(de)(de)(de)(de)1號(hao)和(he)4號(hao)試(shi)塊(kuai)上(shang)(shang)，缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)測信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)較(jiao)高，而平磨試(shi)塊(kuai)上(shang)(shang)同等深(shen)度(du)的(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)測信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)最高。由此可(ke)見，對于微小(xiao)缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)檢(jian)測，表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)會直接影響檢(jian)測信(xin)噪比(bi)，較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)甚至會帶(dai)來漏判或(huo)誤判。換言之(zhi)，在表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)確定的(de)(de)(de)(de)情況下，試(shi)件上(shang)(shang)可(ke)檢(jian)測缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)深(shen)度(du)存(cun)在極(ji)限。
b. 表面粗(cu)糙(cao)度對不同(tong)深(shen)度裂紋信噪比的影響(xiang)
保持試驗(yan)條件不(bu)變，探頭(tou)以(yi)相同速度掃查所(suo)有試塊，對不(bu)同深度的裂(lie)紋進行漏(lou)磁檢測(ce)。各試塊得到的缺(que)陷(xian)檢測(ce)信號如圖1-12所(suo)示。
分析檢(jian)測結果，根(gen)據式（1-1）得到在不同表(biao)面粗糙(cao)度下信號信噪比關(guan)于(yu)裂紋(wen)深度的關(guan)系曲線(xian)，如圖1-13和圖1-14所示。
分析圖1-13所示飛(fei)刀銑(xian)表面(mian)上不(bu)同(tong)(tong)深度(du)缺陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)曲(qu)線，對(dui)于相同(tong)(tong)的(de)(de)(de)表面(mian)粗糙(cao)度(du)，隨(sui)著(zhu)人(ren)工裂(lie)紋深度(du)的(de)(de)(de)減小，缺陷(xian)(xian)信(xin)號的(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)降低。與(yu)此對(dui)應，如(ru)圖1-14所示，從(cong)立銑(xian)試塊的(de)(de)(de)測試結果可以看(kan)出，在(zai)一(yi)定表面(mian)粗糙(cao)度(du)下，裂(lie)紋深度(du)變化引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)變化趨勢與(yu)飛(fei)刀銑(xian)試塊基(ji)本(ben)一(yi)致。但是，由于表面(mian)加(jia)工方(fang)式的(de)(de)(de)差異(yi)，兩組試塊表面(mian)峰谷不(bu)平的(de)(de)(de)分布規律(lv)并(bing)非完全一(yi)樣，從(cong)而導致采(cai)用不(bu)同(tong)(tong)加(jia)工方(fang)式形成的(de)(de)(de)相同(tong)(tong)表面(mian)粗糙(cao)度(du)表面(mian)上的(de)(de)(de)相同(tong)(tong)深度(du)缺陷(xian)(xian)信(xin)噪比(bi)不(bu)同(tong)(tong)。
以上試(shi)驗結果表(biao)(biao)明(ming)，在(zai)表(biao)(biao)面粗(cu)糙度(du)(du)確定的情況下，存在(zai)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測裂(lie)紋(wen)極限深度(du)(du)。如(ru)果裂(lie)紋(wen)深度(du)(du)小(xiao)于(yu)極限深度(du)(du)，受信噪(zao)比的影響，漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測靈敏(min)度(du)(du)將(jiang)降(jiang)低。表(biao)(biao)面粗(cu)糙度(du)(du)對漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測的影響機理在(zai)于(yu)，表(biao)(biao)面粗(cu)糙度(du)(du)引起表(biao)(biao)面微(wei)觀(guan)峰谷不平(ping)輪(lun)廓(kuo)，在(zai)兩種不同磁(ci)(ci)導(dao)率材料的分界面上，存在(zai)磁(ci)(ci)折射現象，上凸和下凹的輪(lun)廓(kuo)引起了對應表(biao)(biao)面上方磁(ci)(ci)場的不同分布。
3. 粗糙(cao)表面(mian)的(de)磁場分布
鐵磁(ci)(ci)性材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)(jian)測機(ji)理通常是(shi)基于(yu)(yu)下(xia)(xia)凹(ao)型缺陷(xian)(xian)處的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)場泄漏(lou)，而(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)測機(ji)理并(bing)非傳統簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)描述，如“磁(ci)(ci)場泄漏(lou)”“產生(sheng)(sheng)漏(lou)磁(ci)(ci)信(xin)(xin)號(hao)(hao)”這樣一個(ge)過程。如圖1-15所示，從磁(ci)(ci)折射的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)考慮，漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)(jian)測中(zhong)，缺陷(xian)(xian)附(fu)近的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強度(du)變化主要是(shi)界面(mian)(mian)兩側不(bu)(bu)同(tong)(tong)介質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)導率差異引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)由(you)于(yu)(yu)界面(mian)(mian)處的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)折射現象，在(zai)凹(ao)型缺陷(xian)(xian)如裂紋或腐蝕(shi)下(xia)(xia)產生(sheng)(sheng)“正”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)，而(er)在(zai)小突(tu)起物(wu)存(cun)在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)地(di)方(fang)，代表(biao)(biao)凸(tu)(tu)狀缺陷(xian)(xian)則產生(sheng)(sheng)“負”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)。基于(yu)(yu)這兩種(zhong)情況，前者(zhe)導致上(shang)凸(tu)(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)，后(hou)者(zhe)產生(sheng)(sheng)一個(ge)凹(ao)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)。由(you)于(yu)(yu)這種(zhong)凹(ao)凸(tu)(tu)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)，當感(gan)應(ying)單(dan)元沿著凹(ao)凸(tu)(tu)不(bu)(bu)平的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)進行掃查時，捕(bu)獲到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)必定影(ying)響(xiang)最終檢(jian)(jian)(jian)測結果(guo)。在(zai)微尺度(du)條件(jian)(jian)下(xia)(xia)，工件(jian)(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)模型中(zhong)，緊密相(xiang)連(lian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)“上(shang)凸(tu)(tu)”部(bu)分(fen)(fen)和“下(xia)(xia)凹(ao)”部(bu)分(fen)(fen)會產生(sheng)(sheng)不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)折射效應(ying)，故采用這種(zhong)完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)(jian)測機(ji)理。
無論采(cai)用哪種加工方法，受刀(dao)具(ju)與零件間(jian)的(de)(de)運動(dong)、摩擦，機床的(de)(de)振(zhen)動(dong)及零件的(de)(de)塑性變形等因素(su)的(de)(de)影(ying)響，所獲得(de)的(de)(de)工件表面(mian)都存在微觀(guan)的(de)(de)不平(ping)痕跡，即為表面(mian)粗(cu)糙度(du)，通常波距小于1mm。工件在使用過程中的(de)(de)磨損、腐(fu)蝕介質的(de)(de)侵蝕消(xiao)耗也(ye)會造成表面(mian)粗(cu)糙，這(zhe)種較小間(jian)距的(de)(de)
峰(feng)谷所組成的微觀幾何輪廓(kuo)構成表面紋理粗糙(cao)度(du)，通(tong)常采用(yong)二維表面粗糙(cao)度(du)評定(ding)標準(zhun)即能基本滿足機加工零件(jian)要求，常用(yong)評定(ding)參(can)數(shu)優先(xian)選用(yong)輪廓(kuo)算術平均偏差(cha)Ra，能夠直接反映(ying)工件(jian)表面峰(feng)谷不平的狀態。Ra的定(ding)義常通(tong)過圖(tu)1-16表示。
由Ra的(de)(de)定(ding)義(yi)可知，其主(zhu)要反映工(gong)件表面(mian)(mian)這種峰谷不(bu)平的(de)(de)狀(zhuang)態(tai)，在(zai)漏(lou)(lou)磁檢測中，這種峰谷不(bu)平的(de)(de)狀(zhuang)態(tai)會引起(qi)工(gong)件表面(mian)(mian)磁場強度的(de)(de)分(fen)布變化(hua)。Ra反映的(de)(de)是(shi)垂直(zhi)于工(gong)件表面(mian)(mian)方向的(de)(de)高度變化(hua)，漏(lou)(lou)磁檢測中的(de)(de)垂直(zhi)于工(gong)件表面(mian)(mian)方向對應著缺陷(xian)的(de)(de)深度方向，因此建立表面(mian)(mian)粗糙(cao)度元的(de)(de)簡化(hua)模(mo)型可以分(fen)析工(gong)件粗糙(cao)表面(mian)(mian)的(de)(de)漏(lou)(lou)磁場分(fen)布規律(lv)。
通(tong)常采(cai)用(yong)規(gui)則的(de)(de)(de)三(san)角(jiao)形(xing)鋸齒狀表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)來建(jian)立表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模型，模擬原本(ben)不規(gui)則的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)分(fen)布，便于(yu)定(ding)性和定(ding)量分(fen)析。仿(fang)(fang)真(zhen)模型的(de)(de)(de)特點(dian)是三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)緊(jin)密(mi)相連，其(qi)間(jian)無間(jian)隙(xi)。圖1-17所示為(wei)仿(fang)(fang)真(zhen)分(fen)析獲得工件及周圍的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)應強度(du)(du)(du)分(fen)布云圖，表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模型中代表(biao)峰谷(gu)的(de)(de)(de)凹凸三(san)角(jiao)形(xing)造成了周圍空間(jian)磁(ci)感(gan)(gan)應強度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)分(fen)布變化。A區(qu)域(yu)(yu)代表(biao)上凸三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)，其(qi)上方(fang)C區(qu)域(yu)(yu)的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)應強度(du)(du)(du)弱于(yu)該(gai)區(qu)域(yu)(yu)周圍的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)應強度(du)(du)(du)；與此同(tong)時，緊(jin)鄰(lin)下凹三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)B的(de)(de)(de)上方(fang)也存在區(qu)域(yu)(yu)D，該(gai)區(qu)域(yu)(yu)的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)應強度(du)(du)(du)大于(yu)其(qi)周圍空間(jian)的(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)(gan)應強度(du)(du)(du)。
相對于基準面，提離0.15mm，拾取表面上(shang)方一段長度范圍內磁感應強(qiang)(qiang)度水平分量變化曲線，如圖1-18所示。圖中仿(fang)真(zhen)信號呈(cheng)現(xian)出上(shang)凸下凹的(de)變化規律，與圖1-17中的(de)磁感應強(qiang)(qiang)度變化規律一致。
當表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元的高度(du)(du)與缺(que)陷(xian)深(shen)度(du)(du)具有相同數量級時(shi)，表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元引起的磁場(chang)變化不可忽略(lve)。若(ruo)缺(que)陷(xian)附近(jin)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)元產生(sheng)的漏(lou)磁場(chang)強度(du)(du)與缺(que)陷(xian)產生(sheng)的漏(lou)磁場(chang)強度(du)(du)相當時(shi)，將難以分辨出缺(que)陷(xian)信(xin)號。
在(zai)上述(shu)仿(fang)真模型中，增加裂紋(wen)，仿(fang)真計算得到缺(que)陷所在(zai)區域上方(fang)的(de)漏(lou)磁(ci)場(chang)磁(ci)感(gan)應強度水(shui)平分量(liang)變化(hua)曲線如圖1-19所示。顯然(ran)，裂紋(wen)周圍(wei)的(de)表面(mian)粗(cu)糙度元產生(sheng)的(de)磁(ci)噪聲(sheng)(sheng)信(xin)號，降低了缺(que)陷的(de)信(xin)噪比。當(dang)然(ran)，在(zai)實際(ji)生(sheng)產過程中，可根據(ju)圖1-19 粗(cu)糙表面(mian)裂紋(wen)上方(fang)漏(lou)磁(ci)場(chang)磁(ci)感(gan)應強度水(shui)平分量(liang)分布表面(mian)粗(cu)糙度引起的(de)信(xin)號特征，采(cai)用(yong)合適的(de)濾波算法(fa)去除噪聲(sheng)(sheng)信(xin)號，以提高(gao)信(xin)噪比。
