由加工方法留下(xia)的(de)表(biao)(biao)面痕跡(ji)的(de)深(shen)淺、疏(shu)密、形狀(zhuang)和紋(wen)理都有差異，生產(chan)運行中產(chan)生的(de)表(biao)(biao)面痕跡(ji)更是千奇百(bai)怪。這些(xie)微(wei)觀的(de)和宏觀的(de)幾何(he)不平(ping)整在(zai)漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)中均會引起磁(ci)場(chang)泄漏(lou)(lou)，由此帶來的(de)背景漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)信(xin)號將會影響微(wei)小裂(lie)紋(wen)的(de)漏(lou)(lou)磁(ci)場(chang)測(ce)量(liang)，并進一步影響到漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)的(de)檢(jian)測(ce)極限。為(wei)此，研究(jiu)表(biao)(biao)面粗糙度對裂(lie)紋(wen)漏(lou)(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)的(de)影響具有重要意(yi)義。
1. 表面粗糙度(du)試塊
采用(yong)Q235碳素結構鋼(gang)制作(zuo)試塊，試塊尺寸長300mm、寬(kuan)100mm、厚14mm。首先，將三(san)塊試塊表面(mian)利用(yong)飛刀進行銑削(xue)加(jia)(jia)工(gong)，如(ru)圖1-6所示，其表面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)從(cong)左(zuo)(zuo)到右依(yi)次為(wei)(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)(hao)1、2、3。然后(hou)，利用(yong)立銑加(jia)(jia)工(gong)另(ling)外(wai)三(san)塊試塊表面(mian)，如(ru)圖1-7所示，其表面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)從(cong)左(zuo)(zuo)到右依(yi)次為(wei)(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)(hao)4、5、6。另(ling)外(wai)，再采用(yong)平磨加(jia)(jia)工(gong)一塊試塊表面(mian)，此種方(fang)式獲得的表面(mian)質量較好(hao)，其表面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)值(zhi)為(wei)(wei)Ra0.2μm，編號(hao)(hao)7。所有試塊表面(mian)均刻有一組寬(kuan)度(du)為(wei)(wei)20μm，深(shen)度(du)不同的人(ren)工(gong)線狀缺陷(xian)，尺寸如(ru)圖1-8所示，從(cong)左(zuo)(zuo)到右深(shen)度(du)依(yi)次為(wei)(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰缺陷(xian)的間距為(wei)(wei)70mm。
2. 表(biao)面(mian)粗糙度對漏磁檢測信(xin)號的影響試驗
檢測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置主要由(you)磁化器(qi)、檢測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、信號采集系統、上(shang)位機等部分組成(cheng)，如(ru)圖1-9所示。磁化器(qi)由(you)兩(liang)(liang)組線圈組成(cheng)，檢測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝(zhuang)(zhuang)在兩(liang)(liang)組線圈中間，以(yi)保證檢測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)所在的位置磁場分布均勻。探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝(zhuang)(zhuang)在一T形支架上(shang)，T形支架固定在兩(liang)(liang)組線圈上(shang)方(fang)。鋼板在支撐輪的驅(qu)動下(xia)做勻速運動，在移動過(guo)程中，試塊始終與探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)保持緊密貼合(he)。檢測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)將(jiang)磁場信息(xi)轉換成(cheng)電(dian)信號，并由(you)采集卡進(jin)行A-D轉換后進(jin)入(ru)計(ji)算機，由(you)上(shang)位機軟(ruan)件進(jin)行顯示。
a. 表面粗(cu)糙度對(dui)同一(yi)深(shen)度裂紋信噪比的影響
首先，利用平(ping)磨試(shi)(shi)塊(kuai)7進行飽和磁化下的(de)(de)(de)漏磁檢測(ce)試(shi)(shi)驗。試(shi)(shi)塊(kuai)的(de)(de)(de)磁化方向垂直于人工(gong)線(xian)狀(zhuang)缺陷，試(shi)(shi)塊(kuai)以恒定的(de)(de)(de)速度沿磁化方向運動，檢測(ce)結(jie)果(guo)如圖1-10所示。
從圖中(zhong)可(ke)以看出，由于平磨的(de)(de)表面質量(liang)較(jiao)好，并未帶來明(ming)顯(xian)的(de)(de)噪(zao)聲信號(hao)(hao)(hao)。另外(wai)，信號(hao)(hao)(hao)峰(feng)值與缺陷的(de)(de)深(shen)(shen)度成(cheng)正相(xiang)關(guan)規律，當缺陷深(shen)(shen)度為20μm左右時，基本無(wu)法檢測出缺陷信號(hao)(hao)(hao)。
保持試(shi)驗條(tiao)件不(bu)變，獲得1～7號試(shi)塊上70μm缺(que)陷的(de)信噪(zao)比，如圖1-11所示，信噪(zao)比公(gong)式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式(shi)中，S代(dai)表(biao)信(xin)號最(zui)大幅值(zhi)；N代(dai)表(biao)噪聲最(zui)大幅值(zhi)。
分析圖(tu)1-11曲線變化規律可(ke)(ke)知，對(dui)于深度(du)為70μm的(de)缺(que)陷(xian)，隨著表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)值(zhi)(zhi)的(de)不(bu)斷增(zeng)大，檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)噪比(bi)(bi)逐漸(jian)降低。其中，在(zai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)值(zhi)(zhi)Ra=12.5μmm的(de)3號(hao)(hao)和6號(hao)(hao)試塊上，缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)噪比(bi)(bi)非常低，已(yi)經不(bu)能(neng)清晰(xi)分辨出缺(que)陷(xian)信(xin)號(hao)(hao)。在(zai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)值(zhi)(zhi)Ra＝3.2μm的(de)1號(hao)(hao)和4號(hao)(hao)試塊上，缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)噪比(bi)(bi)較(jiao)高，而(er)平(ping)磨(mo)試塊上同等深度(du)的(de)缺(que)陷(xian)檢(jian)測(ce)信(xin)號(hao)(hao)的(de)信(xin)噪比(bi)(bi)最(zui)高。由(you)此可(ke)(ke)見(jian)，對(dui)于微小缺(que)陷(xian)的(de)檢(jian)測(ce)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)會直接影響(xiang)檢(jian)測(ce)信(xin)噪比(bi)(bi)，較(jiao)大的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)值(zhi)(zhi)甚至會帶來漏判或誤(wu)判。換言之，在(zai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)度(du)確定的(de)情況下，試件上可(ke)(ke)檢(jian)測(ce)缺(que)陷(xian)的(de)深度(du)存在(zai)極限(xian)。
b. 表面(mian)粗糙度對(dui)不同深(shen)度裂紋(wen)信噪比的影(ying)響
保持試(shi)(shi)(shi)驗條件不變，探頭以相同速度掃查所(suo)有試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)，對不同深(shen)度的(de)裂紋進行漏磁檢測(ce)。各試(shi)(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)得到的(de)缺(que)陷檢測(ce)信號如圖(tu)1-12所(suo)示(shi)。
分析(xi)檢測(ce)結果，根據式（1-1）得(de)到在不同表面(mian)粗糙度(du)下信號信噪比(bi)關于裂紋深度(du)的關系曲線，如圖(tu)1-13和圖(tu)1-14所示。
分析圖1-13所示飛(fei)刀(dao)銑表(biao)面上不同(tong)(tong)深度(du)(du)(du)缺(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)信噪(zao)比(bi)曲(qu)線(xian)，對(dui)于相(xiang)(xiang)同(tong)(tong)的(de)表(biao)面粗糙度(du)(du)(du)，隨著人工裂紋(wen)深度(du)(du)(du)的(de)減小，缺(que)(que)陷(xian)(xian)信號的(de)信噪(zao)比(bi)降(jiang)低。與(yu)此對(dui)應，如圖1-14所示，從(cong)立(li)銑試塊的(de)測(ce)試結果可以看出，在一定表(biao)面粗糙度(du)(du)(du)下，裂紋(wen)深度(du)(du)(du)變(bian)化引起(qi)的(de)信噪(zao)比(bi)變(bian)化趨(qu)勢與(yu)飛(fei)刀(dao)銑試塊基本(ben)一致(zhi)。但是，由于表(biao)面加工方(fang)式(shi)的(de)差異，兩組試塊表(biao)面峰谷不平的(de)分布規律(lv)并非(fei)完全一樣，從(cong)而導致(zhi)采(cai)用不同(tong)(tong)加工方(fang)式(shi)形成(cheng)的(de)相(xiang)(xiang)同(tong)(tong)表(biao)面粗糙度(du)(du)(du)表(biao)面上的(de)相(xiang)(xiang)同(tong)(tong)深度(du)(du)(du)缺(que)(que)陷(xian)(xian)信噪(zao)比(bi)不同(tong)(tong)。
以(yi)上試驗(yan)結果表(biao)明，在(zai)表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)確定(ding)的(de)情況下，存在(zai)漏(lou)磁檢(jian)測(ce)裂(lie)紋極限深(shen)度(du)。如果裂(lie)紋深(shen)度(du)小于極限深(shen)度(du)，受信噪比(bi)的(de)影(ying)響(xiang)，漏(lou)磁檢(jian)測(ce)靈敏度(du)將降低。表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)對漏(lou)磁檢(jian)測(ce)的(de)影(ying)響(xiang)機理(li)在(zai)于，表(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)引(yin)起表(biao)面(mian)(mian)微觀峰谷不(bu)(bu)(bu)平輪(lun)廓(kuo)，在(zai)兩種不(bu)(bu)(bu)同磁導率材料的(de)分界面(mian)(mian)上，存在(zai)磁折射(she)現(xian)象，上凸和下凹的(de)輪(lun)廓(kuo)引(yin)起了對應表(biao)面(mian)(mian)上方磁場的(de)不(bu)(bu)(bu)同分布。
3. 粗糙表面(mian)的磁場分(fen)布
鐵磁(ci)(ci)(ci)性材料的(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)機(ji)理通常是基于(yu)(yu)(yu)下凹型(xing)缺陷(xian)處的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)泄漏(lou)，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整的(de)(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)機(ji)理并(bing)非傳統(tong)簡單的(de)(de)(de)(de)描述，如(ru)“磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)泄漏(lou)”“產生(sheng)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)信(xin)號(hao)”這樣一個過程。如(ru)圖1-15所示，從磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)的(de)(de)(de)(de)角度(du)考慮，漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)中，缺陷(xian)附近的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)變化主(zhu)要是界(jie)面兩側不(bu)(bu)(bu)同介質的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)導率差異引(yin)起的(de)(de)(de)(de)。不(bu)(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)是由于(yu)(yu)(yu)界(jie)面處的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)現象，在(zai)凹型(xing)缺陷(xian)如(ru)裂紋或腐蝕下產生(sheng)“正”的(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)號(hao)，而在(zai)小(xiao)突起物存在(zai)的(de)(de)(de)(de)地方，代表(biao)凸狀缺陷(xian)則產生(sheng)“負”的(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)號(hao)。基于(yu)(yu)(yu)這兩種(zhong)(zhong)(zhong)情況，前者導致上凸的(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)，后者產生(sheng)一個凹陷(xian)的(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)。由于(yu)(yu)(yu)這種(zhong)(zhong)(zhong)凹凸信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)存在(zai)，當感(gan)應(ying)單元沿著凹凸不(bu)(bu)(bu)平(ping)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面進行掃(sao)查(cha)時，捕獲到的(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)必定(ding)影(ying)響最終檢(jian)測(ce)結果。在(zai)微尺度(du)條(tiao)件(jian)下，工件(jian)表(biao)面的(de)(de)(de)(de)表(biao)面粗糙度(du)模型(xing)中，緊密(mi)相連的(de)(de)(de)(de)“上凸”部分和“下凹”部分會(hui)產生(sheng)不(bu)(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)效應(ying)，故采用(yong)這種(zhong)(zhong)(zhong)完(wan)整的(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)機(ji)理。
無論采(cai)用哪種加工(gong)(gong)(gong)方法，受(shou)刀具與零(ling)件間的運動、摩擦，機床的振動及零(ling)件的塑性變形等因素的影響，所(suo)獲得的工(gong)(gong)(gong)件表(biao)(biao)面(mian)都存在(zai)微觀的不平痕跡，即(ji)為(wei)表(biao)(biao)面(mian)粗糙度，通(tong)常波距(ju)小于1mm。工(gong)(gong)(gong)件在(zai)使用過程中的磨損(sun)、腐蝕(shi)介質的侵(qin)蝕(shi)消(xiao)耗也會造成表(biao)(biao)面(mian)粗糙，這(zhe)種較小間距(ju)的
峰(feng)(feng)谷所組成(cheng)的微觀幾何輪廓構成(cheng)表(biao)(biao)面紋理粗糙度，通常(chang)采用(yong)二維表(biao)(biao)面粗糙度評定(ding)(ding)標準即能基本滿足機加工(gong)零件要求，常(chang)用(yong)評定(ding)(ding)參數優(you)先選用(yong)輪廓算(suan)術平(ping)均偏差(cha)Ra，能夠直接(jie)反映工(gong)件表(biao)(biao)面峰(feng)(feng)谷不平(ping)的狀(zhuang)態。Ra的定(ding)(ding)義常(chang)通過(guo)圖1-16表(biao)(biao)示。
由Ra的(de)(de)定(ding)義可知，其(qi)主要反(fan)映工(gong)件表(biao)(biao)面這(zhe)種峰谷不平的(de)(de)狀態，在(zai)漏(lou)磁檢測中(zhong)，這(zhe)種峰谷不平的(de)(de)狀態會引起工(gong)件表(biao)(biao)面磁場強(qiang)度的(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)變化。Ra反(fan)映的(de)(de)是垂(chui)直于工(gong)件表(biao)(biao)面方(fang)向(xiang)的(de)(de)高(gao)度變化，漏(lou)磁檢測中(zhong)的(de)(de)垂(chui)直于工(gong)件表(biao)(biao)面方(fang)向(xiang)對(dui)應著(zhu)缺陷(xian)的(de)(de)深度方(fang)向(xiang)，因此建立表(biao)(biao)面粗(cu)糙(cao)度元(yuan)的(de)(de)簡化模型(xing)可以分(fen)析(xi)工(gong)件粗(cu)糙(cao)表(biao)(biao)面的(de)(de)漏(lou)磁場分(fen)布(bu)(bu)規律(lv)。
通常采用規則(ze)的(de)三(san)角(jiao)(jiao)形(xing)(xing)鋸齒狀表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)來建立表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模型(xing)，模擬原本不規則(ze)的(de)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)分(fen)布(bu)，便于(yu)定性和(he)定量分(fen)析。仿真模型(xing)的(de)特點是三(san)角(jiao)(jiao)形(xing)(xing)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)緊(jin)密相連，其間無間隙。圖1-17所示為仿真分(fen)析獲得工(gong)件及周圍的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)分(fen)布(bu)云圖，表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模型(xing)中代表(biao)峰(feng)谷的(de)凹(ao)凸三(san)角(jiao)(jiao)形(xing)(xing)造成了周圍空(kong)(kong)間磁感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)分(fen)布(bu)變化。A區(qu)域(yu)(yu)(yu)代表(biao)上凸三(san)角(jiao)(jiao)形(xing)(xing)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)，其上方C區(qu)域(yu)(yu)(yu)的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)弱于(yu)該區(qu)域(yu)(yu)(yu)周圍的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)；與此同(tong)時，緊(jin)鄰下(xia)凹(ao)三(san)角(jiao)(jiao)形(xing)(xing)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)B的(de)上方也存在區(qu)域(yu)(yu)(yu)D，該區(qu)域(yu)(yu)(yu)的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)大(da)于(yu)其周圍空(kong)(kong)間的(de)磁感(gan)應(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)。
相對(dui)于基準面(mian)，提離0.15mm，拾取表面(mian)上方一(yi)(yi)段(duan)長度范圍內(nei)磁感(gan)應(ying)強度水平分量變化(hua)曲(qu)線，如(ru)圖(tu)1-18所示。圖(tu)中仿真信號呈現(xian)出上凸下凹的(de)變化(hua)規(gui)律(lv)，與圖(tu)1-17中的(de)磁感(gan)應(ying)強度變化(hua)規(gui)律(lv)一(yi)(yi)致(zhi)。
當(dang)表面(mian)粗(cu)糙度(du)元的(de)高度(du)與(yu)缺(que)(que)陷深度(du)具有相同數量級時，表面(mian)粗(cu)糙度(du)元引起(qi)的(de)磁場變化不可忽略。若缺(que)(que)陷附近表面(mian)粗(cu)糙度(du)元產生的(de)漏(lou)磁場強度(du)與(yu)缺(que)(que)陷產生的(de)漏(lou)磁場強度(du)相當(dang)時，將(jiang)難以分辨出(chu)缺(que)(que)陷信號。
在(zai)上述仿真模型(xing)中，增加(jia)裂紋，仿真計算(suan)(suan)得(de)到缺陷所在(zai)區域上方的(de)漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)磁(ci)(ci)(ci)感應強度水平分量變化曲線(xian)如圖1-19所示(shi)。顯(xian)然，裂紋周圍的(de)表(biao)面(mian)粗糙度元(yuan)產(chan)生的(de)磁(ci)(ci)(ci)噪(zao)聲(sheng)信(xin)號(hao)，降(jiang)低了缺陷的(de)信(xin)噪(zao)比。當然，在(zai)實際生產(chan)過(guo)程中，可根據圖1-19 粗糙表(biao)面(mian)裂紋上方漏磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)磁(ci)(ci)(ci)感應強度水平分量分布表(biao)面(mian)粗糙度引起的(de)信(xin)號(hao)特征(zheng)，采用(yong)合適的(de)濾波算(suan)(suan)法去除噪(zao)聲(sheng)信(xin)號(hao)，以提高(gao)信(xin)噪(zao)比。
