由加工(gong)方(fang)法留下的表(biao)面(mian)痕跡(ji)的深(shen)淺、疏密、形狀(zhuang)和(he)紋(wen)理都有(you)差異，生產(chan)運行中產(chan)生的表(biao)面(mian)痕跡(ji)更(geng)是千奇百怪。這些微觀的和(he)宏觀的幾何不(bu)平整在漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)中均會(hui)引起磁(ci)場泄漏(lou)(lou)，由此帶來的背景漏(lou)(lou)磁(ci)場信號將會(hui)影響(xiang)(xiang)微小裂紋(wen)的漏(lou)(lou)磁(ci)場測(ce)(ce)量，并進一步影響(xiang)(xiang)到漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)的檢(jian)測(ce)(ce)極限。為此，研究表(biao)面(mian)粗糙度對(dui)裂紋(wen)漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)的影響(xiang)(xiang)具(ju)有(you)重要(yao)意義(yi)。
1. 表面粗糙度試塊(kuai)
采用(yong)(yong)Q235碳素結構鋼制作試塊，試塊尺寸長300mm、寬100mm、厚14mm。首(shou)先，將(jiang)三塊試塊表(biao)面(mian)利用(yong)(yong)飛(fei)刀進(jin)行銑削加工(gong)(gong)，如圖(tu)1-6所(suo)示，其表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)值從左(zuo)到右(you)依(yi)次(ci)(ci)為(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號1、2、3。然(ran)后，利用(yong)(yong)立(li)銑加工(gong)(gong)另外(wai)三塊試塊表(biao)面(mian)，如圖(tu)1-7所(suo)示，其表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)值從左(zuo)到右(you)依(yi)次(ci)(ci)為(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號4、5、6。另外(wai)，再(zai)采用(yong)(yong)平磨(mo)加工(gong)(gong)一塊試塊表(biao)面(mian)，此(ci)種方式獲(huo)得(de)的(de)表(biao)面(mian)質量較(jiao)好，其表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)值為(wei)Ra0.2μm，編號7。所(suo)有試塊表(biao)面(mian)均(jun)刻有一組寬度(du)為(wei)20μm，深度(du)不同的(de)人工(gong)(gong)線(xian)狀缺陷，尺寸如圖(tu)1-8所(suo)示，從左(zuo)到右(you)深度(du)依(yi)次(ci)(ci)為(wei)20μm、45μm、70μm，相(xiang)鄰缺陷的(de)間距為(wei)70mm。
2. 表(biao)面粗糙度對(dui)漏磁(ci)檢(jian)測信(xin)號的影響(xiang)試驗
檢(jian)測(ce)(ce)裝置主要由(you)磁(ci)化器、檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)、信(xin)號(hao)采集系統、上(shang)位機(ji)等部分(fen)組(zu)(zu)成，如圖1-9所示(shi)。磁(ci)化器由(you)兩組(zu)(zu)線圈組(zu)(zu)成，檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)安(an)裝在(zai)(zai)兩組(zu)(zu)線圈中(zhong)間，以保(bao)證檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)所在(zai)(zai)的位置磁(ci)場分(fen)布(bu)均(jun)勻。探(tan)頭(tou)安(an)裝在(zai)(zai)一T形(xing)(xing)支(zhi)架(jia)(jia)上(shang)，T形(xing)(xing)支(zhi)架(jia)(jia)固定在(zai)(zai)兩組(zu)(zu)線圈上(shang)方。鋼板在(zai)(zai)支(zhi)撐輪的驅動(dong)(dong)下做勻速運(yun)動(dong)(dong)，在(zai)(zai)移(yi)動(dong)(dong)過程(cheng)中(zhong)，試塊(kuai)始終(zhong)與探(tan)頭(tou)保(bao)持緊密貼合。檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)頭(tou)將磁(ci)場信(xin)息轉換(huan)(huan)成電信(xin)號(hao)，并由(you)采集卡(ka)進行A-D轉換(huan)(huan)后進入計算機(ji)，由(you)上(shang)位機(ji)軟件進行顯示(shi)。
a. 表面粗糙(cao)度對同一深度裂紋(wen)信噪比(bi)的影響
首先(xian)，利用平磨(mo)試(shi)(shi)塊7進(jin)行(xing)飽和磁(ci)(ci)化(hua)下的漏磁(ci)(ci)檢測(ce)試(shi)(shi)驗。試(shi)(shi)塊的磁(ci)(ci)化(hua)方向垂直于人工(gong)線狀缺(que)陷，試(shi)(shi)塊以(yi)恒定(ding)的速度沿磁(ci)(ci)化(hua)方向運動，檢測(ce)結(jie)果如(ru)圖(tu)1-10所示。
從圖中可以看出，由于平磨的表面(mian)質(zhi)量較好，并未帶來明顯的噪聲信號。另(ling)外(wai)，信號峰值與缺陷的深度成正相關規律，當缺陷深度為20μm左右時，基本無法檢測出缺陷信號。
保持試(shi)驗條件不變，獲(huo)得(de)1～7號試(shi)塊上70μm缺陷的信噪比(bi)，如圖1-11所示(shi)，信噪比(bi)公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代表信號(hao)最大(da)(da)幅值；N代表噪聲(sheng)最大(da)(da)幅值。
分析圖(tu)1-11曲(qu)線變化規律(lv)可(ke)知，對(dui)于(yu)深(shen)(shen)度(du)為70μm的(de)缺(que)(que)陷，隨著表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)值的(de)不斷(duan)增(zeng)大，檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比逐漸(jian)降低(di)。其中，在表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)值Ra=12.5μmm的(de)3號(hao)(hao)(hao)和6號(hao)(hao)(hao)試(shi)塊(kuai)上，缺(que)(que)陷檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比非常低(di)，已經不能清晰(xi)分辨出缺(que)(que)陷信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)。在表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)值Ra＝3.2μm的(de)1號(hao)(hao)(hao)和4號(hao)(hao)(hao)試(shi)塊(kuai)上，缺(que)(que)陷檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比較高(gao)，而平磨試(shi)塊(kuai)上同等深(shen)(shen)度(du)的(de)缺(que)(que)陷檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比最(zui)高(gao)。由此可(ke)見，對(dui)于(yu)微(wei)小缺(que)(que)陷的(de)檢(jian)測(ce)，表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)會(hui)直接影響檢(jian)測(ce)信(xin)(xin)噪(zao)比，較大的(de)表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)值甚至會(hui)帶來(lai)漏判或誤判。換言之，在表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)確定的(de)情況下，試(shi)件上可(ke)檢(jian)測(ce)缺(que)(que)陷的(de)深(shen)(shen)度(du)存在極限。
b. 表面粗糙(cao)度(du)對不同深(shen)度(du)裂紋信噪比的影響(xiang)
保持試(shi)(shi)驗(yan)條件不變(bian)，探頭以相(xiang)同速度掃查所(suo)有試(shi)(shi)塊，對不同深度的裂紋進行漏磁(ci)檢測。各試(shi)(shi)塊得到(dao)的缺(que)陷檢測信(xin)號如圖1-12所(suo)示(shi)。
分(fen)析檢測結果(guo)，根據式(shi)（1-1）得到(dao)在不同表面粗(cu)糙度下(xia)信號信噪比關于(yu)裂紋深度的(de)關系曲線，如圖1-13和圖1-14所示。
分析圖(tu)1-13所示飛刀銑(xian)(xian)表(biao)(biao)面(mian)上不(bu)同(tong)深(shen)度缺陷(xian)的(de)(de)信(xin)噪比(bi)曲線，對于相(xiang)同(tong)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)粗糙度，隨著(zhu)人工(gong)裂紋(wen)深(shen)度的(de)(de)減小，缺陷(xian)信(xin)號(hao)的(de)(de)信(xin)噪比(bi)降低。與(yu)此(ci)對應，如(ru)圖(tu)1-14所示，從立銑(xian)(xian)試(shi)(shi)塊的(de)(de)測試(shi)(shi)結(jie)果可以看出，在一定表(biao)(biao)面(mian)粗糙度下，裂紋(wen)深(shen)度變(bian)化引起(qi)的(de)(de)信(xin)噪比(bi)變(bian)化趨(qu)勢與(yu)飛刀銑(xian)(xian)試(shi)(shi)塊基本一致。但(dan)是(shi)，由(you)于表(biao)(biao)面(mian)加(jia)工(gong)方式的(de)(de)差異(yi)，兩組試(shi)(shi)塊表(biao)(biao)面(mian)峰谷不(bu)平的(de)(de)分布規(gui)律并非完(wan)全一樣，從而導致采用(yong)不(bu)同(tong)加(jia)工(gong)方式形成的(de)(de)相(xiang)同(tong)表(biao)(biao)面(mian)粗糙度表(biao)(biao)面(mian)上的(de)(de)相(xiang)同(tong)深(shen)度缺陷(xian)信(xin)噪比(bi)不(bu)同(tong)。
以上(shang)(shang)試驗(yan)結果表明，在(zai)(zai)表面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)確(que)定的(de)情況下(xia)，存(cun)在(zai)(zai)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)裂(lie)紋極限深度(du)。如果裂(lie)紋深度(du)小于極限深度(du)，受信噪比的(de)影響，漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)靈敏(min)度(du)將降低。表面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)對(dui)(dui)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)的(de)影響機理在(zai)(zai)于，表面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)引(yin)(yin)起表面(mian)(mian)(mian)微觀峰谷不(bu)(bu)平輪廓，在(zai)(zai)兩種不(bu)(bu)同磁(ci)(ci)導(dao)率材料的(de)分(fen)界面(mian)(mian)(mian)上(shang)(shang)，存(cun)在(zai)(zai)磁(ci)(ci)折射現象，上(shang)(shang)凸和(he)下(xia)凹的(de)輪廓引(yin)(yin)起了對(dui)(dui)應表面(mian)(mian)(mian)上(shang)(shang)方磁(ci)(ci)場的(de)不(bu)(bu)同分(fen)布。
3. 粗糙表面的磁場分(fen)布
鐵磁(ci)(ci)(ci)性材料的(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測機(ji)理通常是(shi)基于下凹(ao)型(xing)缺(que)陷(xian)處的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)泄漏(lou)(lou)(lou)，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整的(de)(de)(de)(de)(de)檢測機(ji)理并非傳統簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)(de)描述，如(ru)“磁(ci)(ci)(ci)場(chang)泄漏(lou)(lou)(lou)”“產生(sheng)(sheng)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)信(xin)(xin)號”這樣一個過程。如(ru)圖1-15所示，從磁(ci)(ci)(ci)折射(she)的(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)考慮，漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測中(zhong)，缺(que)陷(xian)附近的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應強(qiang)度(du)(du)變化主要是(shi)界面兩側不(bu)同介質(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)導率(lv)差異引起(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)。不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)由(you)于界面處的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折射(she)現象，在凹(ao)型(xing)缺(que)陷(xian)如(ru)裂(lie)紋或腐蝕(shi)下產生(sheng)(sheng)“正(zheng)”的(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號，而在小突(tu)起(qi)物存在的(de)(de)(de)(de)(de)地方，代表(biao)凸(tu)狀缺(que)陷(xian)則產生(sheng)(sheng)“負”的(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號。基于這兩種情況，前者導致(zhi)上(shang)凸(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號，后(hou)者產生(sheng)(sheng)一個凹(ao)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號。由(you)于這種凹(ao)凸(tu)信(xin)(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)存在，當感應單(dan)元沿著凹(ao)凸(tu)不(bu)平(ping)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面進行掃查(cha)時，捕獲到的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號必定(ding)影響最終(zhong)檢測結果。在微尺度(du)(du)條件下，工件表(biao)面的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面粗糙度(du)(du)模(mo)型(xing)中(zhong)，緊(jin)密相連的(de)(de)(de)(de)(de)“上(shang)凸(tu)”部分和“下凹(ao)”部分會產生(sheng)(sheng)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折射(she)效(xiao)應，故(gu)采用(yong)這種完(wan)整的(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測機(ji)理。
無論采(cai)用(yong)(yong)哪種加工(gong)(gong)方法，受刀具與零件(jian)間的(de)運動、摩擦，機床(chuang)的(de)振動及零件(jian)的(de)塑性變形等因(yin)素的(de)影響(xiang)，所獲得的(de)工(gong)(gong)件(jian)表面(mian)(mian)都存在(zai)微觀的(de)不平痕(hen)跡(ji)，即為(wei)表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度，通常波距小于1mm。工(gong)(gong)件(jian)在(zai)使用(yong)(yong)過程中的(de)磨損(sun)、腐蝕介(jie)質的(de)侵蝕消耗(hao)也(ye)會造成表面(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)，這種較(jiao)小間距的(de)
峰(feng)谷所(suo)組成的(de)微(wei)觀幾何(he)輪(lun)廓(kuo)構(gou)成表(biao)面(mian)紋理粗糙度，通常采用(yong)二維表(biao)面(mian)粗糙度評定(ding)標(biao)準即能(neng)基本滿(man)足(zu)機加工(gong)零(ling)件要求(qiu)，常用(yong)評定(ding)參數優先選用(yong)輪(lun)廓(kuo)算術平均偏差Ra，能(neng)夠直接反映(ying)工(gong)件表(biao)面(mian)峰(feng)谷不平的(de)狀態。Ra的(de)定(ding)義常通過圖1-16表(biao)示。
由Ra的(de)(de)定義可知，其主要反映(ying)工(gong)件表(biao)面(mian)這(zhe)種峰谷不平(ping)的(de)(de)狀(zhuang)態，在漏磁(ci)(ci)檢測中，這(zhe)種峰谷不平(ping)的(de)(de)狀(zhuang)態會引起(qi)工(gong)件表(biao)面(mian)磁(ci)(ci)場強度(du)的(de)(de)分(fen)布變(bian)化。Ra反映(ying)的(de)(de)是垂直于(yu)(yu)工(gong)件表(biao)面(mian)方(fang)向的(de)(de)高度(du)變(bian)化，漏磁(ci)(ci)檢測中的(de)(de)垂直于(yu)(yu)工(gong)件表(biao)面(mian)方(fang)向對應著缺(que)陷(xian)的(de)(de)深度(du)方(fang)向，因此建立(li)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)元的(de)(de)簡化模型可以分(fen)析(xi)工(gong)件粗(cu)糙表(biao)面(mian)的(de)(de)漏磁(ci)(ci)場分(fen)布規(gui)律。
通常采用規則的(de)三(san)角(jiao)形(xing)鋸齒(chi)狀表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)來建立表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)，模(mo)擬原本不規則的(de)表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)分(fen)(fen)布(bu)，便于定(ding)性和定(ding)量分(fen)(fen)析(xi)。仿真模(mo)型(xing)(xing)的(de)特點是(shi)三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)緊(jin)密相連，其間無(wu)間隙。圖(tu)(tu)1-17所示(shi)為仿真分(fen)(fen)析(xi)獲(huo)得工件(jian)及周圍(wei)的(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)分(fen)(fen)布(bu)云圖(tu)(tu)，表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模(mo)型(xing)(xing)中代(dai)表(biao)峰谷的(de)凹凸三(san)角(jiao)形(xing)造成(cheng)了周圍(wei)空間磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)的(de)分(fen)(fen)布(bu)變化(hua)。A區域(yu)代(dai)表(biao)上凸三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)，其上方C區域(yu)的(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)弱于該區域(yu)周圍(wei)的(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)；與此同時，緊(jin)鄰下凹三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)B的(de)上方也存在區域(yu)D，該區域(yu)的(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)大(da)于其周圍(wei)空間的(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)。
相對于基準面，提離0.15mm，拾取表面上(shang)方一(yi)段(duan)長度(du)范圍內磁(ci)感應強度(du)水平分量變(bian)化(hua)曲線，如圖(tu)1-18所(suo)示(shi)。圖(tu)中仿真信號呈(cheng)現出上(shang)凸下凹(ao)的變(bian)化(hua)規律，與(yu)圖(tu)1-17中的磁(ci)感應強度(du)變(bian)化(hua)規律一(yi)致。
當(dang)表面粗糙度(du)(du)元(yuan)(yuan)的高(gao)度(du)(du)與(yu)缺陷(xian)深度(du)(du)具有相同數量級時，表面粗糙度(du)(du)元(yuan)(yuan)引起的磁場變化(hua)不可忽略。若(ruo)缺陷(xian)附(fu)近表面粗糙度(du)(du)元(yuan)(yuan)產(chan)生的漏磁場強(qiang)度(du)(du)與(yu)缺陷(xian)產(chan)生的漏磁場強(qiang)度(du)(du)相當(dang)時，將難以分辨出缺陷(xian)信(xin)號。
在(zai)上述仿真(zhen)模(mo)型中，增(zeng)加裂紋(wen)，仿真(zhen)計算得到缺陷所在(zai)區域上方的(de)漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度(du)水平分量(liang)變化(hua)曲線如圖1-19所示。顯然，裂紋(wen)周圍的(de)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)元產生的(de)磁(ci)(ci)噪(zao)(zao)聲(sheng)信(xin)號，降低了缺陷的(de)信(xin)噪(zao)(zao)比(bi)。當然，在(zai)實際生產過程(cheng)中，可根據圖1-19 粗糙(cao)表(biao)面(mian)裂紋(wen)上方漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度(du)水平分量(liang)分布表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)引(yin)起的(de)信(xin)號特征，采(cai)用合(he)適的(de)濾波算法去除噪(zao)(zao)聲(sheng)信(xin)號，以提高信(xin)噪(zao)(zao)比(bi)。
