由(you)加工方法留(liu)下的(de)表面(mian)痕跡的(de)深淺、疏密、形狀和(he)紋理都有差異，生產(chan)(chan)運(yun)行中(zhong)(zhong)產(chan)(chan)生的(de)表面(mian)痕跡更(geng)是千奇百怪。這些微觀的(de)和(he)宏(hong)觀的(de)幾(ji)何(he)不平(ping)整在(zai)漏磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)中(zhong)(zhong)均(jun)會(hui)引(yin)起磁(ci)場泄漏，由(you)此帶(dai)來的(de)背(bei)景(jing)漏磁(ci)場信(xin)號將會(hui)影(ying)(ying)響微小裂紋的(de)漏磁(ci)場測(ce)(ce)量，并進(jin)一步(bu)影(ying)(ying)響到(dao)漏磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)的(de)檢(jian)測(ce)(ce)極限。為(wei)此，研究表面(mian)粗(cu)糙度對裂紋漏磁(ci)檢(jian)測(ce)(ce)的(de)影(ying)(ying)響具(ju)有重要意義。
1. 表面(mian)粗糙度(du)試(shi)塊
采用(yong)Q235碳素結構(gou)鋼制作(zuo)試(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)，試(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)尺寸長300mm、寬100mm、厚14mm。首先(xian)，將三塊(kuai)(kuai)(kuai)試(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)利用(yong)飛刀進行銑(xian)削加工，如圖1-6所示(shi)，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)值從(cong)左(zuo)到右(you)依(yi)次(ci)為(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)1、2、3。然后，利用(yong)立銑(xian)加工另外三塊(kuai)(kuai)(kuai)試(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)，如圖1-7所示(shi)，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)值從(cong)左(zuo)到右(you)依(yi)次(ci)為(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)4、5、6。另外，再采用(yong)平(ping)磨加工一塊(kuai)(kuai)(kuai)試(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)，此種(zhong)方式獲得的表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)質量較好(hao)，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)值為(wei)Ra0.2μm，編號(hao)7。所有試(shi)塊(kuai)(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)均刻有一組(zu)寬度(du)為(wei)20μm，深度(du)不同的人工線狀缺(que)陷(xian)，尺寸如圖1-8所示(shi)，從(cong)左(zuo)到右(you)深度(du)依(yi)次(ci)為(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰缺(que)陷(xian)的間距為(wei)70mm。
2. 表面粗糙度對漏磁(ci)檢測信(xin)號(hao)的影響試驗
檢(jian)測(ce)(ce)裝置主要由磁化器(qi)、檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、信(xin)號(hao)采(cai)(cai)集系(xi)統、上(shang)位機(ji)(ji)等(deng)部分組(zu)(zu)成(cheng)，如圖1-9所示。磁化器(qi)由兩組(zu)(zu)線圈組(zu)(zu)成(cheng)，檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安(an)裝在(zai)兩組(zu)(zu)線圈中間(jian)，以(yi)保(bao)證檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)所在(zai)的位置磁場(chang)分布均(jun)勻。探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安(an)裝在(zai)一(yi)T形支(zhi)架上(shang)，T形支(zhi)架固定在(zai)兩組(zu)(zu)線圈上(shang)方(fang)。鋼板在(zai)支(zhi)撐輪的驅動(dong)下做勻速運動(dong)，在(zai)移動(dong)過程中，試塊始(shi)終與(yu)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)保(bao)持緊密(mi)貼(tie)合(he)。檢(jian)測(ce)(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)將磁場(chang)信(xin)息轉(zhuan)換成(cheng)電(dian)信(xin)號(hao)，并(bing)由采(cai)(cai)集卡(ka)進行(xing)A-D轉(zhuan)換后進入計(ji)算(suan)機(ji)(ji)，由上(shang)位機(ji)(ji)軟(ruan)件進行(xing)顯示。
a. 表面粗糙度對(dui)同一深度裂紋信噪(zao)比的影響
首先，利(li)用平(ping)磨試(shi)塊7進行飽和磁化下的(de)漏磁檢測試(shi)驗(yan)。試(shi)塊的(de)磁化方向垂直于人工線狀缺陷，試(shi)塊以恒定的(de)速度沿磁化方向運(yun)動，檢測結果(guo)如圖1-10所示。
從圖中可以看(kan)出，由(you)于平磨的表面質量較好，并未帶來明顯的噪(zao)聲信號。另外，信號峰值與缺陷的深度成正相關規律，當(dang)缺陷深度為20μm左右(you)時，基本無法檢測出缺陷信號。
保持試(shi)驗條件不變，獲(huo)得1～7號(hao)試(shi)塊(kuai)上70μm缺陷(xian)的信噪比，如圖1-11所示，信噪比公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中(zhong)，S代表(biao)信號最大(da)幅值；N代表(biao)噪(zao)聲最大(da)幅值。
分析圖1-11曲線變(bian)化規(gui)律可知，對于(yu)深(shen)度(du)(du)為70μm的(de)(de)(de)(de)(de)缺陷，隨(sui)著表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)值(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)不斷增大(da)，檢測(ce)(ce)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)信噪(zao)比(bi)逐(zhu)漸降(jiang)低(di)。其中，在(zai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)值(zhi)Ra=12.5μmm的(de)(de)(de)(de)(de)3號(hao)和6號(hao)試塊(kuai)上，缺陷檢測(ce)(ce)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)信噪(zao)比(bi)非常(chang)低(di)，已經不能(neng)清晰分辨出缺陷信號(hao)。在(zai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)值(zhi)Ra＝3.2μm的(de)(de)(de)(de)(de)1號(hao)和4號(hao)試塊(kuai)上，缺陷檢測(ce)(ce)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)信噪(zao)比(bi)較高(gao)，而平磨(mo)試塊(kuai)上同(tong)等深(shen)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)缺陷檢測(ce)(ce)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)信噪(zao)比(bi)最高(gao)。由此(ci)可見(jian)，對于(yu)微小缺陷的(de)(de)(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)會直接影響檢測(ce)(ce)信噪(zao)比(bi)，較大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)值(zhi)甚至會帶(dai)來漏判(pan)(pan)或誤判(pan)(pan)。換言之(zhi)，在(zai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)確定的(de)(de)(de)(de)(de)情況下，試件上可檢測(ce)(ce)缺陷的(de)(de)(de)(de)(de)深(shen)度(du)(du)存(cun)在(zai)極(ji)限。
b. 表面粗糙度對不同(tong)深度裂紋信(xin)噪比的影響
保持試驗條件不(bu)變，探頭以相同(tong)速度(du)掃查所有試塊(kuai)，對不(bu)同(tong)深度(du)的裂紋進行(xing)漏磁檢(jian)測(ce)。各試塊(kuai)得到(dao)的缺(que)陷檢(jian)測(ce)信號如(ru)圖(tu)1-12所示。
分析(xi)檢測結果(guo)，根據式（1-1）得到在不同表面粗糙度(du)下信號信噪比關(guan)于裂紋深度(du)的關(guan)系(xi)曲線，如圖(tu)1-13和圖(tu)1-14所示。
分析圖(tu)1-13所示(shi)飛刀銑表(biao)(biao)面(mian)上(shang)不同(tong)(tong)深(shen)(shen)度(du)(du)(du)缺陷(xian)(xian)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)曲(qu)線，對于相(xiang)同(tong)(tong)的(de)表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)(du)，隨(sui)著人(ren)工裂(lie)(lie)紋(wen)深(shen)(shen)度(du)(du)(du)的(de)減小，缺陷(xian)(xian)信(xin)(xin)號的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)降低。與(yu)此對應(ying)，如(ru)圖(tu)1-14所示(shi)，從立銑試(shi)塊(kuai)的(de)測試(shi)結果(guo)可以看出，在一(yi)定表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)(du)下，裂(lie)(lie)紋(wen)深(shen)(shen)度(du)(du)(du)變化引起(qi)的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)變化趨勢與(yu)飛刀銑試(shi)塊(kuai)基本(ben)一(yi)致(zhi)。但是，由于表(biao)(biao)面(mian)加(jia)工方式的(de)差異，兩(liang)組(zu)試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)峰谷不平的(de)分布規律并非完全一(yi)樣，從而導致(zhi)采用(yong)不同(tong)(tong)加(jia)工方式形成的(de)相(xiang)同(tong)(tong)表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)(du)表(biao)(biao)面(mian)上(shang)的(de)相(xiang)同(tong)(tong)深(shen)(shen)度(du)(du)(du)缺陷(xian)(xian)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)不同(tong)(tong)。
以(yi)上試(shi)驗(yan)結果表明，在(zai)(zai)(zai)表面粗糙(cao)(cao)度(du)(du)確定的(de)(de)(de)情況下，存(cun)在(zai)(zai)(zai)漏(lou)磁檢測(ce)裂(lie)(lie)紋(wen)極限(xian)深度(du)(du)。如果裂(lie)(lie)紋(wen)深度(du)(du)小于極限(xian)深度(du)(du)，受信噪比的(de)(de)(de)影(ying)響，漏(lou)磁檢測(ce)靈敏度(du)(du)將降(jiang)低。表面粗糙(cao)(cao)度(du)(du)對漏(lou)磁檢測(ce)的(de)(de)(de)影(ying)響機理在(zai)(zai)(zai)于，表面粗糙(cao)(cao)度(du)(du)引起表面微觀峰(feng)谷不平輪(lun)廓(kuo)(kuo)，在(zai)(zai)(zai)兩(liang)種不同(tong)磁導率材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)分界面上，存(cun)在(zai)(zai)(zai)磁折(zhe)射現(xian)象，上凸和下凹的(de)(de)(de)輪(lun)廓(kuo)(kuo)引起了對應表面上方磁場(chang)的(de)(de)(de)不同(tong)分布。
3. 粗(cu)糙表面的磁場分布
鐵磁性(xing)材料的(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)機(ji)(ji)理(li)通常是(shi)基于(yu)(yu)下(xia)(xia)凹型(xing)缺(que)(que)陷(xian)處的(de)(de)(de)(de)磁場泄(xie)漏(lou)，而(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整的(de)(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)機(ji)(ji)理(li)并非傳統簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)描述(shu)，如(ru)“磁場泄(xie)漏(lou)”“產(chan)生(sheng)漏(lou)磁信(xin)號”這樣一個過程。如(ru)圖(tu)1-15所(suo)示(shi)，從(cong)磁折(zhe)射(she)的(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)(du)考慮，漏(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)中(zhong)，缺(que)(que)陷(xian)附近的(de)(de)(de)(de)磁感應強度(du)(du)(du)變化主要是(shi)界面(mian)(mian)兩側不(bu)同介質(zhi)的(de)(de)(de)(de)磁導(dao)率差異引(yin)起的(de)(de)(de)(de)。不(bu)同的(de)(de)(de)(de)是(shi)由(you)于(yu)(yu)界面(mian)(mian)處的(de)(de)(de)(de)磁折(zhe)射(she)現象，在(zai)凹型(xing)缺(que)(que)陷(xian)如(ru)裂紋(wen)或(huo)腐蝕(shi)下(xia)(xia)產(chan)生(sheng)“正(zheng)”的(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)號，而(er)在(zai)小突(tu)起物存在(zai)的(de)(de)(de)(de)地方(fang)，代表(biao)凸(tu)狀缺(que)(que)陷(xian)則產(chan)生(sheng)“負”的(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)號。基于(yu)(yu)這兩種(zhong)情(qing)況，前(qian)者(zhe)導(dao)致上凸(tu)的(de)(de)(de)(de)信(xin)號，后(hou)者(zhe)產(chan)生(sheng)一個凹陷(xian)的(de)(de)(de)(de)信(xin)號。由(you)于(yu)(yu)這種(zhong)凹凸(tu)信(xin)號的(de)(de)(de)(de)存在(zai)，當感應單(dan)元沿著(zhu)凹凸(tu)不(bu)平的(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)進行掃查時，捕獲(huo)到的(de)(de)(de)(de)信(xin)號必定影(ying)響(xiang)最(zui)終檢(jian)(jian)測(ce)結果。在(zai)微尺度(du)(du)(du)條(tiao)件下(xia)(xia)，工件表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)(du)(du)模型(xing)中(zhong)，緊(jin)密相(xiang)連的(de)(de)(de)(de)“上凸(tu)”部(bu)分和“下(xia)(xia)凹”部(bu)分會產(chan)生(sheng)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)磁折(zhe)射(she)效(xiao)應，故采用(yong)這種(zhong)完(wan)整的(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)機(ji)(ji)理(li)。
無論采用(yong)哪種加工(gong)(gong)方法(fa)，受刀具與零件間的(de)運動、摩擦，機床的(de)振動及(ji)零件的(de)塑性變形等因素的(de)影響，所獲得(de)的(de)工(gong)(gong)件表面(mian)(mian)都存在微觀的(de)不平(ping)痕(hen)跡，即為表面(mian)(mian)粗糙度，通常(chang)波距小于1mm。工(gong)(gong)件在使用(yong)過程中的(de)磨損、腐(fu)蝕介(jie)質的(de)侵蝕消(xiao)耗也會造成表面(mian)(mian)粗糙，這(zhe)種較小間距的(de)
峰谷所組成的(de)微(wei)觀幾何(he)輪(lun)廓(kuo)(kuo)構成表(biao)面紋理粗糙度(du)，通常采用二維(wei)表(biao)面粗糙度(du)評定(ding)標準即能基本(ben)滿足機加(jia)工零(ling)件要求，常用評定(ding)參數優先選用輪(lun)廓(kuo)(kuo)算術平(ping)均偏差Ra，能夠直接(jie)反映工件表(biao)面峰谷不平(ping)的(de)狀態。Ra的(de)定(ding)義常通過圖1-16表(biao)示。
由(you)Ra的(de)定義可(ke)知，其主要反映工件表(biao)面(mian)這種(zhong)峰(feng)谷(gu)(gu)不平的(de)狀(zhuang)態(tai)，在漏(lou)磁檢(jian)測中，這種(zhong)峰(feng)谷(gu)(gu)不平的(de)狀(zhuang)態(tai)會引起(qi)工件表(biao)面(mian)磁場強度的(de)分布變化(hua)。Ra反映的(de)是垂直(zhi)于(yu)(yu)工件表(biao)面(mian)方向(xiang)(xiang)的(de)高度變化(hua)，漏(lou)磁檢(jian)測中的(de)垂直(zhi)于(yu)(yu)工件表(biao)面(mian)方向(xiang)(xiang)對應著缺陷(xian)的(de)深度方向(xiang)(xiang)，因此建立表(biao)面(mian)粗糙度元的(de)簡化(hua)模型可(ke)以分析工件粗糙表(biao)面(mian)的(de)漏(lou)磁場分布規律。
通常采用規則(ze)的(de)(de)(de)(de)三(san)角(jiao)(jiao)形鋸齒(chi)狀表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)來建立表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模(mo)(mo)(mo)型(xing)，模(mo)(mo)(mo)擬(ni)原(yuan)本不(bu)規則(ze)的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)，便于(yu)定(ding)性和(he)定(ding)量分(fen)(fen)析。仿真模(mo)(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)(de)特點是三(san)角(jiao)(jiao)形表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)緊(jin)(jin)密相連，其(qi)(qi)間(jian)無(wu)間(jian)隙。圖(tu)1-17所示為(wei)仿真分(fen)(fen)析獲得(de)工件及周圍(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)云圖(tu)，表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模(mo)(mo)(mo)型(xing)中(zhong)代表(biao)(biao)(biao)峰谷的(de)(de)(de)(de)凹凸三(san)角(jiao)(jiao)形造(zao)成了周圍(wei)(wei)(wei)空間(jian)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)(bu)(bu)變化。A區(qu)域(yu)(yu)(yu)代表(biao)(biao)(biao)上(shang)(shang)凸三(san)角(jiao)(jiao)形表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)，其(qi)(qi)上(shang)(shang)方(fang)C區(qu)域(yu)(yu)(yu)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)弱于(yu)該(gai)區(qu)域(yu)(yu)(yu)周圍(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)；與此同時，緊(jin)(jin)鄰下凹三(san)角(jiao)(jiao)形表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)B的(de)(de)(de)(de)上(shang)(shang)方(fang)也(ye)存(cun)在(zai)區(qu)域(yu)(yu)(yu)D，該(gai)區(qu)域(yu)(yu)(yu)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)大于(yu)其(qi)(qi)周圍(wei)(wei)(wei)空間(jian)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)。
相對于(yu)基準面，提離0.15mm，拾取表面上(shang)方一段長度(du)范圍內磁(ci)感應強度(du)水平分量變化(hua)曲線，如圖(tu)1-18所示(shi)。圖(tu)中仿真(zhen)信號呈現出上(shang)凸下凹(ao)的變化(hua)規律(lv)，與圖(tu)1-17中的磁(ci)感應強度(du)變化(hua)規律(lv)一致。
當(dang)表面粗(cu)糙度(du)(du)(du)(du)元的高(gao)度(du)(du)(du)(du)與缺(que)陷深度(du)(du)(du)(du)具有相同數量級時，表面粗(cu)糙度(du)(du)(du)(du)元引起的磁(ci)(ci)場變化不可(ke)忽(hu)略。若缺(que)陷附近(jin)表面粗(cu)糙度(du)(du)(du)(du)元產生(sheng)的漏磁(ci)(ci)場強(qiang)度(du)(du)(du)(du)與缺(que)陷產生(sheng)的漏磁(ci)(ci)場強(qiang)度(du)(du)(du)(du)相當(dang)時，將難以分辨出缺(que)陷信號。
在(zai)上述仿(fang)真(zhen)模型中，增加(jia)裂紋(wen)，仿(fang)真(zhen)計算得到缺陷所在(zai)區域上方的漏(lou)磁場磁感應強度(du)水平分(fen)量變化曲(qu)線如圖(tu)1-19所示。顯然，裂紋(wen)周圍(wei)的表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)元產生(sheng)的磁噪(zao)聲(sheng)信(xin)(xin)號，降低了缺陷的信(xin)(xin)噪(zao)比。當然，在(zai)實際生(sheng)產過程中，可根據圖(tu)1-19 粗糙(cao)表(biao)面(mian)裂紋(wen)上方漏(lou)磁場磁感應強度(du)水平分(fen)量分(fen)布(bu)表(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)引(yin)起的信(xin)(xin)號特(te)征，采用合適的濾波算法去除噪(zao)聲(sheng)信(xin)(xin)號，以提高(gao)信(xin)(xin)噪(zao)比。
