由(you)(you)加(jia)工(gong)方法留下的(de)(de)表面痕(hen)跡的(de)(de)深(shen)淺(qian)、疏密、形狀(zhuang)和紋(wen)理(li)都有差異，生產運(yun)行中(zhong)產生的(de)(de)表面痕(hen)跡更是千奇百怪(guai)。這些微觀的(de)(de)和宏觀的(de)(de)幾何不(bu)平整在漏(lou)磁(ci)(ci)檢測中(zhong)均會(hui)引起磁(ci)(ci)場泄漏(lou)，由(you)(you)此帶來(lai)的(de)(de)背景漏(lou)磁(ci)(ci)場信號將會(hui)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)微小裂紋(wen)的(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)場測量(liang)，并進(jin)一步影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)到漏(lou)磁(ci)(ci)檢測的(de)(de)檢測極限。為此，研究(jiu)表面粗糙度對裂紋(wen)漏(lou)磁(ci)(ci)檢測的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)具有重(zhong)要意義。
1. 表面粗糙度試塊
采用Q235碳素(su)結構鋼制作(zuo)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)，試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)尺寸長300mm、寬(kuan)100mm、厚14mm。首(shou)先，將三塊(kuai)(kuai)(kuai)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)利(li)用飛刀(dao)進行銑(xian)削加工(gong)(gong)，如圖(tu)1-6所示(shi)，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)值(zhi)從(cong)左到右(you)依次(ci)(ci)為(wei)(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)1、2、3。然后，利(li)用立銑(xian)加工(gong)(gong)另外(wai)三塊(kuai)(kuai)(kuai)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，如圖(tu)1-7所示(shi)，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)值(zhi)從(cong)左到右(you)依次(ci)(ci)為(wei)(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)4、5、6。另外(wai)，再采用平磨(mo)加工(gong)(gong)一塊(kuai)(kuai)(kuai)試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，此種方式獲得的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)質量較好(hao)，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)值(zhi)為(wei)(wei)Ra0.2μm，編號(hao)7。所有試(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)均(jun)刻有一組寬(kuan)度(du)為(wei)(wei)20μm，深度(du)不同的(de)人工(gong)(gong)線狀(zhuang)缺(que)陷，尺寸如圖(tu)1-8所示(shi)，從(cong)左到右(you)深度(du)依次(ci)(ci)為(wei)(wei)20μm、45μm、70μm，相(xiang)鄰缺(que)陷的(de)間距為(wei)(wei)70mm。
2. 表(biao)面(mian)粗糙度對漏(lou)磁檢測信(xin)號(hao)的影響試驗
檢(jian)(jian)測(ce)(ce)裝(zhuang)置主(zhu)要由(you)磁(ci)(ci)化(hua)器、檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、信號采集系(xi)統、上(shang)位機(ji)(ji)等部分組成，如(ru)圖1-9所示。磁(ci)(ci)化(hua)器由(you)兩(liang)(liang)組線(xian)(xian)圈(quan)組成，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安(an)裝(zhuang)在兩(liang)(liang)組線(xian)(xian)圈(quan)中間，以保證檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)所在的(de)位置磁(ci)(ci)場分布(bu)均勻(yun)。探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安(an)裝(zhuang)在一T形支(zhi)架上(shang)，T形支(zhi)架固定在兩(liang)(liang)組線(xian)(xian)圈(quan)上(shang)方。鋼(gang)板在支(zhi)撐輪的(de)驅動下(xia)做勻(yun)速運動，在移動過程中，試塊始(shi)終(zhong)與探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)保持(chi)緊密貼(tie)合。檢(jian)(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)將磁(ci)(ci)場信息轉(zhuan)換成電信號，并由(you)采集卡(ka)進(jin)行A-D轉(zhuan)換后進(jin)入計算機(ji)(ji)，由(you)上(shang)位機(ji)(ji)軟件進(jin)行顯示。
a. 表(biao)面粗(cu)糙(cao)度對同一深度裂紋(wen)信噪比的影(ying)響
首先(xian)，利用(yong)平磨試(shi)塊(kuai)7進行(xing)飽(bao)和磁化(hua)下的漏(lou)磁檢(jian)測(ce)試(shi)驗。試(shi)塊(kuai)的磁化(hua)方(fang)向垂直(zhi)于人工線狀(zhuang)缺陷，試(shi)塊(kuai)以恒定(ding)的速度沿磁化(hua)方(fang)向運動，檢(jian)測(ce)結果如圖1-10所示。
從圖中(zhong)可以(yi)看出，由(you)于平磨的(de)表面質量較好，并未帶來明顯的(de)噪聲信號(hao)。另外，信號(hao)峰值與(yu)缺(que)陷的(de)深度成正相關規律，當缺(que)陷深度為20μm左右(you)時，基本無法檢測出缺(que)陷信號(hao)。
保持試驗條件不變，獲得(de)1～7號試塊上70μm缺陷的信(xin)噪(zao)比，如圖1-11所示，信(xin)噪(zao)比公(gong)式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代表信(xin)號最大幅值；N代表噪聲(sheng)最大幅值。
分析圖1-11曲線變(bian)化(hua)規律可(ke)知(zhi)，對于(yu)(yu)深(shen)度(du)為70μm的(de)缺陷(xian)(xian)，隨(sui)著表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)值的(de)不斷增大(da)，檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)逐漸(jian)降低。其中，在表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)值Ra=12.5μmm的(de)3號(hao)和6號(hao)試塊上(shang)(shang)，缺陷(xian)(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)非常低，已經不能清晰分辨(bian)出缺陷(xian)(xian)信(xin)(xin)(xin)號(hao)。在表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)值Ra＝3.2μm的(de)1號(hao)和4號(hao)試塊上(shang)(shang)，缺陷(xian)(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)較(jiao)高，而平磨試塊上(shang)(shang)同等深(shen)度(du)的(de)缺陷(xian)(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)最高。由此(ci)可(ke)見，對于(yu)(yu)微(wei)小缺陷(xian)(xian)的(de)檢(jian)測(ce)，表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)會直接影響檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)，較(jiao)大(da)的(de)表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)值甚至會帶(dai)來(lai)漏判(pan)或(huo)誤(wu)判(pan)。換言之，在表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)確(que)定的(de)情況下(xia)，試件上(shang)(shang)可(ke)檢(jian)測(ce)缺陷(xian)(xian)的(de)深(shen)度(du)存在極(ji)限。
b. 表面(mian)粗糙度對不同(tong)深度裂紋(wen)信(xin)噪比的(de)影響(xiang)
保持試(shi)驗條件不變，探頭以相同速度掃(sao)查所有(you)試(shi)塊，對不同深(shen)度的裂紋進行漏磁檢測。各試(shi)塊得到的缺(que)陷檢測信號如圖1-12所示(shi)。
分(fen)析檢測(ce)結(jie)果，根(gen)據式（1-1）得到在不同表(biao)面粗糙度下(xia)信(xin)號信(xin)噪比關于裂紋深度的關系(xi)曲(qu)線(xian)，如圖1-13和圖1-14所示。
分(fen)析圖1-13所示(shi)(shi)飛刀(dao)銑(xian)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)上(shang)不(bu)同(tong)(tong)深度(du)(du)缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比(bi)(bi)曲線，對于相(xiang)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)，隨著人工裂紋(wen)深度(du)(du)的(de)(de)(de)減小(xiao)，缺(que)(que)陷(xian)信(xin)(xin)號的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比(bi)(bi)降低。與(yu)此對應(ying)，如圖1-14所示(shi)(shi)，從(cong)立銑(xian)試塊(kuai)的(de)(de)(de)測試結(jie)果可以看出，在(zai)一定表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)下，裂紋(wen)深度(du)(du)變(bian)化引起的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪比(bi)(bi)變(bian)化趨勢(shi)與(yu)飛刀(dao)銑(xian)試塊(kuai)基(ji)本一致。但(dan)是，由于表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)加(jia)工方式的(de)(de)(de)差異，兩組試塊(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)峰谷不(bu)平的(de)(de)(de)分(fen)布規律(lv)并(bing)非完全(quan)一樣，從(cong)而(er)導(dao)致采用不(bu)同(tong)(tong)加(jia)工方式形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)相(xiang)同(tong)(tong)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)上(shang)的(de)(de)(de)相(xiang)同(tong)(tong)深度(du)(du)缺(que)(que)陷(xian)信(xin)(xin)噪比(bi)(bi)不(bu)同(tong)(tong)。
以上試驗結果表明，在表面(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)確定(ding)的(de)情況下(xia)，存在漏磁檢(jian)測裂(lie)紋(wen)極限深度(du)(du)。如果裂(lie)紋(wen)深度(du)(du)小(xiao)于極限深度(du)(du)，受信噪比的(de)影響(xiang)，漏磁檢(jian)測靈敏(min)度(du)(du)將(jiang)降低。表面(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)對漏磁檢(jian)測的(de)影響(xiang)機理在于，表面(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)引起表面(mian)微觀峰(feng)谷(gu)不(bu)(bu)平輪廓，在兩種不(bu)(bu)同磁導(dao)率(lv)材料的(de)分界面(mian)上，存在磁折射現象(xiang)，上凸和(he)下(xia)凹的(de)輪廓引起了(le)對應表面(mian)上方磁場(chang)的(de)不(bu)(bu)同分布。
3. 粗糙表面的磁(ci)場分布
鐵磁(ci)(ci)性(xing)材料的(de)(de)漏磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)機(ji)理(li)通常是基于(yu)下凹(ao)型缺(que)(que)陷處(chu)(chu)的(de)(de)磁(ci)(ci)場(chang)泄漏，而(er)(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完整的(de)(de)檢(jian)測(ce)機(ji)理(li)并非(fei)傳統簡單的(de)(de)描述，如“磁(ci)(ci)場(chang)泄漏”“產(chan)生(sheng)(sheng)漏磁(ci)(ci)信(xin)(xin)號”這(zhe)樣一(yi)個過程。如圖1-15所示(shi)，從磁(ci)(ci)折(zhe)射的(de)(de)角度考(kao)慮(lv)，漏磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)中，缺(que)(que)陷附近的(de)(de)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強度變(bian)化主要是界面(mian)兩側不(bu)同介質的(de)(de)磁(ci)(ci)導率差(cha)異(yi)引(yin)起的(de)(de)。不(bu)同的(de)(de)是由(you)(you)于(yu)界面(mian)處(chu)(chu)的(de)(de)磁(ci)(ci)折(zhe)射現象(xiang)，在(zai)(zai)凹(ao)型缺(que)(que)陷如裂紋(wen)或腐(fu)蝕下產(chan)生(sheng)(sheng)“正”的(de)(de)MFL信(xin)(xin)號，而(er)(er)在(zai)(zai)小突起物存(cun)(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)地(di)方(fang)，代表凸(tu)(tu)(tu)狀缺(que)(que)陷則產(chan)生(sheng)(sheng)“負”的(de)(de)MFL信(xin)(xin)號。基于(yu)這(zhe)兩種(zhong)(zhong)情況，前者(zhe)導致上(shang)凸(tu)(tu)(tu)的(de)(de)信(xin)(xin)號，后(hou)者(zhe)產(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)個凹(ao)陷的(de)(de)信(xin)(xin)號。由(you)(you)于(yu)這(zhe)種(zhong)(zhong)凹(ao)凸(tu)(tu)(tu)信(xin)(xin)號的(de)(de)存(cun)(cun)在(zai)(zai)，當感(gan)應(ying)單元沿著凹(ao)凸(tu)(tu)(tu)不(bu)平的(de)(de)表面(mian)進行掃查時，捕獲到的(de)(de)信(xin)(xin)號必定影響最終檢(jian)測(ce)結果。在(zai)(zai)微尺度條(tiao)件(jian)下，工(gong)件(jian)表面(mian)的(de)(de)表面(mian)粗糙度模(mo)型中，緊密相連(lian)的(de)(de)“上(shang)凸(tu)(tu)(tu)”部分和“下凹(ao)”部分會產(chan)生(sheng)(sheng)不(bu)同的(de)(de)磁(ci)(ci)折(zhe)射效應(ying)，故采用(yong)這(zhe)種(zhong)(zhong)完整的(de)(de)漏磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)機(ji)理(li)。
無論采用哪種(zhong)加工(gong)方法，受刀具(ju)與零件(jian)間的(de)(de)運動、摩擦，機床的(de)(de)振動及零件(jian)的(de)(de)塑性(xing)變形等因素的(de)(de)影響，所(suo)獲(huo)得的(de)(de)工(gong)件(jian)表面(mian)都存在微觀的(de)(de)不平痕跡，即為表面(mian)粗糙(cao)度，通(tong)常波距小于(yu)1mm。工(gong)件(jian)在使用過(guo)程中的(de)(de)磨損、腐蝕介質的(de)(de)侵蝕消耗也(ye)會(hui)造成表面(mian)粗糙(cao)，這(zhe)種(zhong)較小間距的(de)(de)
峰谷(gu)所組(zu)成的微觀(guan)幾何輪廓(kuo)(kuo)構(gou)成表(biao)面(mian)紋理粗(cu)糙(cao)度，通常采用二維表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度評定(ding)標(biao)準即能基本滿足(zu)機加工零件要求，常用評定(ding)參數(shu)優先選用輪廓(kuo)(kuo)算術平均偏差(cha)Ra，能夠直接反映工件表(biao)面(mian)峰谷(gu)不平的狀(zhuang)態。Ra的定(ding)義常通過圖1-16表(biao)示。
由Ra的定義(yi)可知，其主(zhu)要反(fan)映(ying)工(gong)件(jian)表(biao)面這(zhe)(zhe)種峰谷不平的狀(zhuang)態，在漏(lou)磁(ci)檢測(ce)中，這(zhe)(zhe)種峰谷不平的狀(zhuang)態會引(yin)起工(gong)件(jian)表(biao)面磁(ci)場強度(du)(du)的分布(bu)(bu)變(bian)化(hua)。Ra反(fan)映(ying)的是垂直于(yu)(yu)工(gong)件(jian)表(biao)面方(fang)向(xiang)(xiang)的高(gao)度(du)(du)變(bian)化(hua)，漏(lou)磁(ci)檢測(ce)中的垂直于(yu)(yu)工(gong)件(jian)表(biao)面方(fang)向(xiang)(xiang)對應著缺陷(xian)的深(shen)度(du)(du)方(fang)向(xiang)(xiang)，因此建立表(biao)面粗糙度(du)(du)元(yuan)的簡化(hua)模型可以分析工(gong)件(jian)粗糙表(biao)面的漏(lou)磁(ci)場分布(bu)(bu)規(gui)律(lv)。
通常采用規則的(de)(de)三(san)角形(xing)(xing)鋸齒狀表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)元來建立(li)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)模(mo)(mo)型(xing)，模(mo)(mo)擬原本不規則的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)元分(fen)(fen)布(bu)，便(bian)于定(ding)性和定(ding)量分(fen)(fen)析(xi)。仿真(zhen)模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)特點(dian)是三(san)角形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)元緊(jin)密相連，其(qi)間(jian)無間(jian)隙(xi)。圖(tu)1-17所示為(wei)仿真(zhen)分(fen)(fen)析(xi)獲得工(gong)件(jian)及周圍(wei)(wei)(wei)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應強(qiang)度(du)分(fen)(fen)布(bu)云圖(tu)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)模(mo)(mo)型(xing)中代表(biao)(biao)峰谷的(de)(de)凹(ao)凸(tu)三(san)角形(xing)(xing)造成了周圍(wei)(wei)(wei)空間(jian)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應強(qiang)度(du)的(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)變化。A區(qu)(qu)域(yu)代表(biao)(biao)上凸(tu)三(san)角形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)元，其(qi)上方(fang)C區(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應強(qiang)度(du)弱于該區(qu)(qu)域(yu)周圍(wei)(wei)(wei)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應強(qiang)度(du)；與此同時(shi)，緊(jin)鄰下凹(ao)三(san)角形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)元B的(de)(de)上方(fang)也存(cun)在區(qu)(qu)域(yu)D，該區(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應強(qiang)度(du)大于其(qi)周圍(wei)(wei)(wei)空間(jian)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)(gan)(gan)應強(qiang)度(du)。
相對于基準(zhun)面，提離0.15mm，拾取表面上(shang)方一段長度范圍內磁感(gan)應強度水平(ping)分量(liang)變(bian)化曲線，如(ru)圖(tu)(tu)1-18所示。圖(tu)(tu)中仿真信號呈(cheng)現出上(shang)凸下凹的變(bian)化規(gui)律(lv)，與圖(tu)(tu)1-17中的磁感(gan)應強度變(bian)化規(gui)律(lv)一致。
當表面粗糙(cao)度(du)元的(de)高(gao)度(du)與(yu)缺(que)(que)陷(xian)深(shen)度(du)具有相(xiang)同數量級(ji)時，表面粗糙(cao)度(du)元引起的(de)磁場變(bian)化不可忽略。若缺(que)(que)陷(xian)附近(jin)表面粗糙(cao)度(du)元產生的(de)漏磁場強(qiang)度(du)與(yu)缺(que)(que)陷(xian)產生的(de)漏磁場強(qiang)度(du)相(xiang)當時，將難以分辨出(chu)缺(que)(que)陷(xian)信號。
在(zai)上述仿真(zhen)模型中(zhong)，增加裂紋，仿真(zhen)計算得到缺(que)陷所在(zai)區域上方(fang)的(de)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)水平分量(liang)變(bian)化曲線如圖1-19所示。顯然，裂紋周圍的(de)表面粗(cu)糙(cao)度(du)元產生(sheng)的(de)磁(ci)(ci)噪(zao)聲信(xin)號，降低了缺(que)陷的(de)信(xin)噪(zao)比(bi)。當(dang)然，在(zai)實際生(sheng)產過程中(zhong)，可根據圖1-19 粗(cu)糙(cao)表面裂紋上方(fang)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)水平分量(liang)分布表面粗(cu)糙(cao)度(du)引起(qi)的(de)信(xin)號特征(zheng)，采(cai)用(yong)合(he)適的(de)濾波算法(fa)去除(chu)噪(zao)聲信(xin)號，以提高信(xin)噪(zao)比(bi)。
