由(you)加工方法留(liu)下(xia)的(de)(de)表面痕跡(ji)(ji)的(de)(de)深淺、疏密、形狀和(he)紋理都有差異(yi)，生產運行(xing)中產生的(de)(de)表面痕跡(ji)(ji)更(geng)是千奇百怪。這些(xie)微觀的(de)(de)和(he)宏觀的(de)(de)幾何不平整在漏(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)(ce)(ce)中均會引起磁(ci)(ci)場泄(xie)漏(lou)，由(you)此(ci)帶來的(de)(de)背景漏(lou)磁(ci)(ci)場信號將會影響(xiang)微小裂紋的(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)場測(ce)(ce)(ce)量(liang)，并進一步影響(xiang)到漏(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)(ce)(ce)的(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)極(ji)限(xian)。為(wei)此(ci)，研究(jiu)表面粗(cu)糙(cao)度對裂紋漏(lou)磁(ci)(ci)檢測(ce)(ce)(ce)的(de)(de)影響(xiang)具有重(zhong)要意義。
1. 表面粗糙度試(shi)塊
采(cai)用Q235碳素結構鋼制作試(shi)(shi)(shi)塊，試(shi)(shi)(shi)塊尺(chi)寸(cun)長300mm、寬(kuan)100mm、厚(hou)14mm。首先(xian)，將三(san)塊試(shi)(shi)(shi)塊表(biao)(biao)面(mian)利(li)用飛刀進行銑(xian)削加(jia)工(gong)，如圖(tu)1-6所(suo)示，其表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)值從左到右(you)依(yi)次(ci)為Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)1、2、3。然后，利(li)用立銑(xian)加(jia)工(gong)另(ling)外三(san)塊試(shi)(shi)(shi)塊表(biao)(biao)面(mian)，如圖(tu)1-7所(suo)示，其表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)值從左到右(you)依(yi)次(ci)為 Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)4、5、6。另(ling)外，再采(cai)用平磨加(jia)工(gong)一塊試(shi)(shi)(shi)塊表(biao)(biao)面(mian)，此種方式獲得的表(biao)(biao)面(mian)質量較好，其表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)值為Ra0.2μm，編號(hao)7。所(suo)有試(shi)(shi)(shi)塊表(biao)(biao)面(mian)均(jun)刻有一組(zu)寬(kuan)度(du)(du)(du)為20μm，深度(du)(du)(du)不同(tong)的人工(gong)線狀缺陷(xian)，尺(chi)寸(cun)如圖(tu)1-8所(suo)示，從左到右(you)深度(du)(du)(du)依(yi)次(ci)為20μm、45μm、70μm，相(xiang)鄰(lin)缺陷(xian)的間距(ju)為70mm。
2. 表面(mian)粗糙度對漏磁檢測信號(hao)的影響試驗
檢測(ce)(ce)裝置(zhi)主要由(you)(you)磁(ci)化器(qi)、檢測(ce)(ce)探(tan)頭、信(xin)(xin)(xin)號采集(ji)系統、上(shang)位機(ji)等部(bu)分(fen)(fen)組(zu)成，如圖1-9所示。磁(ci)化器(qi)由(you)(you)兩(liang)組(zu)線(xian)(xian)圈組(zu)成，檢測(ce)(ce)探(tan)頭安裝在(zai)(zai)兩(liang)組(zu)線(xian)(xian)圈中(zhong)間，以(yi)保(bao)證(zheng)檢測(ce)(ce)探(tan)頭所在(zai)(zai)的位置(zhi)磁(ci)場(chang)分(fen)(fen)布均勻。探(tan)頭安裝在(zai)(zai)一T形(xing)支架上(shang)，T形(xing)支架固定在(zai)(zai)兩(liang)組(zu)線(xian)(xian)圈上(shang)方。鋼板在(zai)(zai)支撐輪的驅動(dong)下做勻速運(yun)動(dong)，在(zai)(zai)移動(dong)過程中(zhong)，試塊始終(zhong)與探(tan)頭保(bao)持(chi)緊密貼合。檢測(ce)(ce)探(tan)頭將磁(ci)場(chang)信(xin)(xin)(xin)息(xi)轉換成電信(xin)(xin)(xin)號，并由(you)(you)采集(ji)卡進(jin)行A-D轉換后進(jin)入計算機(ji)，由(you)(you)上(shang)位機(ji)軟件進(jin)行顯示。
a. 表面粗糙(cao)度對(dui)同一深度裂紋信噪(zao)比(bi)的影響
首(shou)先，利用(yong)平磨試塊(kuai)7進(jin)行飽和磁化下(xia)的漏磁檢測試驗。試塊(kuai)的磁化方向垂直(zhi)于人工線狀(zhuang)缺陷，試塊(kuai)以恒定(ding)的速度(du)沿磁化方向運動，檢測結果如(ru)圖(tu)1-10所示。
從圖中可以看(kan)出(chu)，由于平磨的表面質量(liang)較好，并未帶來(lai)明顯(xian)的噪聲信(xin)(xin)號。另外，信(xin)(xin)號峰值(zhi)與缺(que)陷(xian)的深度成正相(xiang)關規律，當缺(que)陷(xian)深度為20μm左右時，基本(ben)無法檢測出(chu)缺(que)陷(xian)信(xin)(xin)號。
保持試驗條件(jian)不變，獲得1～7號(hao)試塊上70μm缺陷的信噪比(bi)，如圖1-11所示，信噪比(bi)公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式(shi)中，S代(dai)表(biao)(biao)信號最(zui)大幅值(zhi)；N代(dai)表(biao)(biao)噪聲最(zui)大幅值(zhi)。
分(fen)析(xi)圖1-11曲線變化規律可(ke)知，對于深(shen)(shen)度(du)(du)為70μm的(de)(de)缺(que)(que)陷，隨著(zhu)表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)值(zhi)的(de)(de)不(bu)斷(duan)增大，檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)逐漸降低。其中，在表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)值(zhi)Ra=12.5μmm的(de)(de)3號(hao)和6號(hao)試(shi)(shi)塊上(shang)(shang)，缺(que)(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)非常低，已經不(bu)能(neng)清晰分(fen)辨(bian)出缺(que)(que)陷信(xin)(xin)(xin)號(hao)。在表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)值(zhi)Ra＝3.2μm的(de)(de)1號(hao)和4號(hao)試(shi)(shi)塊上(shang)(shang)，缺(que)(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)較高，而平磨試(shi)(shi)塊上(shang)(shang)同(tong)等(deng)深(shen)(shen)度(du)(du)的(de)(de)缺(que)(que)陷檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)最(zui)高。由此可(ke)見，對于微小缺(que)(que)陷的(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)，表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)會直(zhi)接影(ying)響檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比(bi)，較大的(de)(de)表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)值(zhi)甚至會帶來漏判或(huo)誤判。換言之，在表面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)確(que)定的(de)(de)情(qing)況下，試(shi)(shi)件上(shang)(shang)可(ke)檢(jian)(jian)測(ce)缺(que)(que)陷的(de)(de)深(shen)(shen)度(du)(du)存在極限。
b. 表面粗糙度對不(bu)同深度裂紋信噪比的(de)影(ying)響(xiang)
保持試(shi)(shi)驗條(tiao)件不變，探頭以相同(tong)速度(du)掃查所(suo)有試(shi)(shi)塊(kuai)，對不同(tong)深度(du)的裂紋進行(xing)漏(lou)磁檢測(ce)。各試(shi)(shi)塊(kuai)得到的缺陷(xian)檢測(ce)信號如(ru)圖1-12所(suo)示。
分析檢(jian)測結果，根據(ju)式(shi)（1-1）得(de)到在(zai)不同表面粗糙度下信號信噪比關于裂(lie)紋深度的(de)關系曲線，如圖1-13和圖1-14所示(shi)。
分(fen)析圖1-13所示飛刀銑表(biao)面(mian)上(shang)不(bu)(bu)同深度(du)缺陷的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)(bi)曲線，對于相(xiang)同的(de)(de)表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)，隨(sui)著人工(gong)(gong)裂(lie)紋(wen)深度(du)的(de)(de)減小，缺陷信(xin)(xin)號的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)(bi)降低。與此對應，如圖1-14所示，從立銑試(shi)(shi)塊的(de)(de)測(ce)試(shi)(shi)結果(guo)可(ke)以看出，在(zai)一定表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)下，裂(lie)紋(wen)深度(du)變(bian)化引起(qi)的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)(bi)變(bian)化趨勢(shi)與飛刀銑試(shi)(shi)塊基(ji)本一致。但是，由于表(biao)面(mian)加(jia)(jia)工(gong)(gong)方式的(de)(de)差異，兩組試(shi)(shi)塊表(biao)面(mian)峰谷不(bu)(bu)平的(de)(de)分(fen)布規律并非完(wan)全一樣，從而導致采用不(bu)(bu)同加(jia)(jia)工(gong)(gong)方式形成的(de)(de)相(xiang)同表(biao)面(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)表(biao)面(mian)上(shang)的(de)(de)相(xiang)同深度(du)缺陷信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)(bi)不(bu)(bu)同。
以上(shang)試驗結果表(biao)(biao)明(ming)，在(zai)(zai)(zai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)確(que)定(ding)的(de)情況(kuang)下，存(cun)在(zai)(zai)(zai)漏(lou)磁檢測裂(lie)紋極限深度(du)(du)。如(ru)果裂(lie)紋深度(du)(du)小于極限深度(du)(du)，受信噪比的(de)影響(xiang)，漏(lou)磁檢測靈敏(min)度(du)(du)將降低。表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)對漏(lou)磁檢測的(de)影響(xiang)機理在(zai)(zai)(zai)于，表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)引起表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)微觀(guan)峰(feng)谷不平輪廓，在(zai)(zai)(zai)兩種不同磁導率(lv)材料的(de)分(fen)界面(mian)(mian)(mian)上(shang)，存(cun)在(zai)(zai)(zai)磁折射現象，上(shang)凸和(he)下凹的(de)輪廓引起了對應表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)上(shang)方(fang)磁場(chang)的(de)不同分(fen)布。
3. 粗(cu)糙表面的磁場分布
鐵磁(ci)性(xing)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)檢測(ce)機理通常是(shi)基于下(xia)(xia)(xia)凹(ao)型缺(que)陷(xian)處的(de)(de)(de)(de)磁(ci)場泄(xie)漏(lou)，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)(de)檢測(ce)機理并非傳統(tong)簡單的(de)(de)(de)(de)描述(shu)，如(ru)“磁(ci)場泄(xie)漏(lou)”“產(chan)生(sheng)(sheng)漏(lou)磁(ci)信(xin)(xin)號(hao)(hao)”這(zhe)樣一個(ge)過程。如(ru)圖(tu)1-15所示(shi)，從磁(ci)折射的(de)(de)(de)(de)角度考慮，漏(lou)磁(ci)檢測(ce)中(zhong)，缺(que)陷(xian)附近(jin)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)感應(ying)強度變化主要是(shi)界面(mian)(mian)兩側不同(tong)介質的(de)(de)(de)(de)磁(ci)導率(lv)差異引起(qi)的(de)(de)(de)(de)。不同(tong)的(de)(de)(de)(de)是(shi)由于界面(mian)(mian)處的(de)(de)(de)(de)磁(ci)折射現象，在(zai)凹(ao)型缺(que)陷(xian)如(ru)裂紋或腐蝕下(xia)(xia)(xia)產(chan)生(sheng)(sheng)“正”的(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)，而在(zai)小突起(qi)物存(cun)在(zai)的(de)(de)(de)(de)地(di)方，代表凸(tu)(tu)狀缺(que)陷(xian)則(ze)產(chan)生(sheng)(sheng)“負(fu)”的(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)號(hao)(hao)。基于這(zhe)兩種(zhong)情況，前(qian)者(zhe)導致(zhi)上凸(tu)(tu)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)，后者(zhe)產(chan)生(sheng)(sheng)一個(ge)凹(ao)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)。由于這(zhe)種(zhong)凹(ao)凸(tu)(tu)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)，當感應(ying)單元沿著凹(ao)凸(tu)(tu)不平的(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)進行掃查時，捕(bu)獲到的(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)必(bi)定影響最終(zhong)檢測(ce)結果。在(zai)微尺度條件(jian)下(xia)(xia)(xia)，工(gong)件(jian)表面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)粗糙度模型中(zhong)，緊密相連的(de)(de)(de)(de)“上凸(tu)(tu)”部分和“下(xia)(xia)(xia)凹(ao)”部分會(hui)產(chan)生(sheng)(sheng)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)折射效(xiao)應(ying)，故采用這(zhe)種(zhong)完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)檢測(ce)機理。
無論采用哪種加(jia)工(gong)方法，受刀(dao)具(ju)與零(ling)件(jian)(jian)間(jian)的(de)運動(dong)、摩(mo)擦，機床的(de)振動(dong)及零(ling)件(jian)(jian)的(de)塑性變(bian)形等(deng)因素的(de)影響，所獲(huo)得的(de)工(gong)件(jian)(jian)表(biao)面都存在微(wei)觀的(de)不(bu)平痕(hen)跡，即為表(biao)面粗糙度，通常(chang)波距小于1mm。工(gong)件(jian)(jian)在使用過程(cheng)中的(de)磨(mo)損、腐蝕(shi)介質的(de)侵蝕(shi)消耗也會造成(cheng)表(biao)面粗糙，這種較小間(jian)距的(de)
峰(feng)谷所組成的微觀幾何(he)輪廓構成表(biao)面紋理粗糙度(du)，通(tong)常采用(yong)二維表(biao)面粗糙度(du)評定(ding)標準即能(neng)(neng)基本滿足機加(jia)工(gong)零件要求，常用(yong)評定(ding)參數(shu)優先選用(yong)輪廓算(suan)術平均偏差(cha)Ra，能(neng)(neng)夠直接(jie)反映工(gong)件表(biao)面峰(feng)谷不平的狀(zhuang)態。Ra的定(ding)義常通(tong)過(guo)圖1-16表(biao)示(shi)。
由Ra的(de)定義可知，其主要反(fan)映工件(jian)(jian)表(biao)面這(zhe)種(zhong)峰谷(gu)不(bu)平(ping)的(de)狀態(tai)，在漏(lou)(lou)(lou)磁檢(jian)測(ce)(ce)中(zhong)，這(zhe)種(zhong)峰谷(gu)不(bu)平(ping)的(de)狀態(tai)會引(yin)起工件(jian)(jian)表(biao)面磁場強度(du)的(de)分(fen)布變(bian)化。Ra反(fan)映的(de)是垂(chui)直(zhi)于工件(jian)(jian)表(biao)面方(fang)向(xiang)的(de)高度(du)變(bian)化，漏(lou)(lou)(lou)磁檢(jian)測(ce)(ce)中(zhong)的(de)垂(chui)直(zhi)于工件(jian)(jian)表(biao)面方(fang)向(xiang)對應著缺(que)陷(xian)的(de)深度(du)方(fang)向(xiang)，因此建立表(biao)面粗糙度(du)元的(de)簡化模型可以分(fen)析工件(jian)(jian)粗糙表(biao)面的(de)漏(lou)(lou)(lou)磁場分(fen)布規律。
通常采用(yong)規則的三(san)角(jiao)形(xing)鋸齒狀表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)來(lai)建立(li)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)(du)(du)模型，模擬原本不規則的表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)分(fen)布(bu)，便于定(ding)性和(he)定(ding)量分(fen)析。仿真模型的特(te)點(dian)是(shi)三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)緊(jin)密相連(lian)，其(qi)間(jian)無間(jian)隙。圖1-17所示為仿真分(fen)析獲得(de)工件及周(zhou)圍(wei)(wei)的磁(ci)感(gan)應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)分(fen)布(bu)云圖，表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)(du)(du)模型中代表(biao)(biao)峰谷的凹(ao)凸三(san)角(jiao)形(xing)造成了周(zhou)圍(wei)(wei)空間(jian)磁(ci)感(gan)應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)的分(fen)布(bu)變化。A區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)代表(biao)(biao)上凸三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)，其(qi)上方(fang)C區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)的磁(ci)感(gan)應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)弱于該區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)周(zhou)圍(wei)(wei)的磁(ci)感(gan)應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)；與此同時，緊(jin)鄰下凹(ao)三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)B的上方(fang)也存在區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)D，該區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)的磁(ci)感(gan)應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)大于其(qi)周(zhou)圍(wei)(wei)空間(jian)的磁(ci)感(gan)應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)。
相對于基準面，提離0.15mm，拾取表面上方一段長度范圍內磁(ci)(ci)感應強度水平分量變(bian)化(hua)(hua)曲線，如圖(tu)1-18所示。圖(tu)中仿真信(xin)號呈(cheng)現出上凸下凹的變(bian)化(hua)(hua)規(gui)律(lv)，與圖(tu)1-17中的磁(ci)(ci)感應強度變(bian)化(hua)(hua)規(gui)律(lv)一致(zhi)。
當表面粗(cu)(cu)糙(cao)度元(yuan)(yuan)(yuan)的高(gao)度與(yu)缺陷(xian)深度具(ju)有(you)相同數量級(ji)時，表面粗(cu)(cu)糙(cao)度元(yuan)(yuan)(yuan)引起的磁(ci)場變化不可(ke)忽略。若缺陷(xian)附近(jin)表面粗(cu)(cu)糙(cao)度元(yuan)(yuan)(yuan)產生的漏磁(ci)場強度與(yu)缺陷(xian)產生的漏磁(ci)場強度相當時，將難以分辨(bian)出缺陷(xian)信號。
在(zai)上(shang)述(shu)仿真模型中，增(zeng)加裂(lie)紋(wen)，仿真計算得到缺陷(xian)所在(zai)區(qu)域上(shang)方的漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感(gan)(gan)應(ying)強度(du)水平分量變(bian)化曲(qu)線如圖1-19所示。顯然(ran)，裂(lie)紋(wen)周圍的表(biao)面粗(cu)糙度(du)元產(chan)生的磁(ci)(ci)噪(zao)聲(sheng)(sheng)信(xin)(xin)號，降低了缺陷(xian)的信(xin)(xin)噪(zao)比。當然(ran)，在(zai)實(shi)際生產(chan)過程中，可根據(ju)圖1-19 粗(cu)糙表(biao)面裂(lie)紋(wen)上(shang)方漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感(gan)(gan)應(ying)強度(du)水平分量分布表(biao)面粗(cu)糙度(du)引(yin)起(qi)的信(xin)(xin)號特征(zheng)，采用合適的濾波算法去除噪(zao)聲(sheng)(sheng)信(xin)(xin)號，以提高信(xin)(xin)噪(zao)比。
