由(you)加工方(fang)法(fa)留下的(de)(de)表(biao)(biao)面痕跡的(de)(de)深(shen)淺、疏密、形狀和(he)紋理都有差(cha)異，生(sheng)產運行(xing)中產生(sheng)的(de)(de)表(biao)(biao)面痕跡更是千奇百怪(guai)。這些微觀的(de)(de)和(he)宏觀的(de)(de)幾何不平(ping)整在漏磁(ci)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)中均會(hui)引起磁(ci)場泄漏，由(you)此帶來的(de)(de)背景漏磁(ci)場信號將(jiang)會(hui)影響微小裂紋的(de)(de)漏磁(ci)場測(ce)(ce)量，并進一步影響到漏磁(ci)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)極限。為此，研究表(biao)(biao)面粗糙度對裂紋漏磁(ci)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)影響具有重要意義。
1. 表面粗(cu)糙(cao)度試塊
采用Q235碳素結構鋼制作試塊(kuai)，試塊(kuai)尺寸(cun)長(chang)300mm、寬(kuan)100mm、厚14mm。首先(xian)，將三塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)利用飛刀進行銑(xian)削加工(gong)(gong)，如圖(tu)1-6所示(shi)(shi)，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)值(zhi)從左到右(you)(you)依次(ci)為(wei)(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號(hao)1、2、3。然后，利用立銑(xian)加工(gong)(gong)另外(wai)三塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，如圖(tu)1-7所示(shi)(shi)，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)值(zhi)從左到右(you)(you)依次(ci)為(wei)(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號(hao)4、5、6。另外(wai)，再(zai)采用平磨加工(gong)(gong)一塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，此(ci)種方式獲得的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)質(zhi)量較好，其表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)值(zhi)為(wei)(wei)Ra0.2μm，編(bian)號(hao)7。所有(you)(you)試塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)均刻有(you)(you)一組寬(kuan)度(du)為(wei)(wei)20μm，深度(du)不同的(de)人工(gong)(gong)線狀缺陷，尺寸(cun)如圖(tu)1-8所示(shi)(shi)，從左到右(you)(you)深度(du)依次(ci)為(wei)(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰缺陷的(de)間距(ju)為(wei)(wei)70mm。
2. 表(biao)面(mian)粗糙度對(dui)漏磁檢測信號的影響試驗
檢(jian)測(ce)裝置主要由(you)磁化器(qi)、檢(jian)測(ce)探(tan)頭、信號采(cai)集系統、上(shang)位(wei)(wei)(wei)機等(deng)部(bu)分組成，如圖1-9所(suo)示(shi)(shi)。磁化器(qi)由(you)兩組線圈(quan)組成，檢(jian)測(ce)探(tan)頭安(an)裝在(zai)(zai)兩組線圈(quan)中間，以保證(zheng)檢(jian)測(ce)探(tan)頭所(suo)在(zai)(zai)的位(wei)(wei)(wei)置磁場分布均勻(yun)。探(tan)頭安(an)裝在(zai)(zai)一T形(xing)支架上(shang)，T形(xing)支架固定(ding)在(zai)(zai)兩組線圈(quan)上(shang)方。鋼板在(zai)(zai)支撐輪(lun)的驅動下做勻(yun)速運(yun)動，在(zai)(zai)移動過程中，試塊始終與探(tan)頭保持緊(jin)密貼(tie)合(he)。檢(jian)測(ce)探(tan)頭將磁場信息轉換成電信號，并由(you)采(cai)集卡進行A-D轉換后進入計(ji)算機，由(you)上(shang)位(wei)(wei)(wei)機軟件(jian)進行顯(xian)示(shi)(shi)。
a. 表面(mian)粗糙度(du)對同一深度(du)裂紋(wen)信噪比的(de)影(ying)響
首先，利用平磨試塊7進行飽和磁(ci)化(hua)(hua)下(xia)的漏磁(ci)檢測試驗。試塊的磁(ci)化(hua)(hua)方(fang)向垂直于人(ren)工(gong)線(xian)狀缺陷，試塊以恒定的速(su)度沿磁(ci)化(hua)(hua)方(fang)向運動，檢測結果如(ru)圖1-10所示。
從(cong)圖中可以看出，由(you)于平磨的(de)表面質(zhi)量較好，并未帶來明顯的(de)噪聲信號(hao)。另外，信號(hao)峰值與缺(que)陷(xian)(xian)的(de)深(shen)度成(cheng)正相關規律，當缺(que)陷(xian)(xian)深(shen)度為20μm左右時，基本無法檢測(ce)出缺(que)陷(xian)(xian)信號(hao)。
保持試驗條件不變(bian)，獲得1～7號試塊上70μm缺陷的信噪比(bi)，如(ru)圖(tu)1-11所(suo)示，信噪比(bi)公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代(dai)表信號最(zui)大幅值(zhi)；N代(dai)表噪(zao)聲(sheng)最(zui)大幅值(zhi)。
分析圖(tu)1-11曲線變化規律可知，對于(yu)深度為70μm的(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)，隨著表(biao)(biao)面粗糙(cao)(cao)度值(zhi)的(de)(de)(de)(de)不(bu)斷增大(da)，檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比(bi)逐漸降低。其中，在表(biao)(biao)面粗糙(cao)(cao)度值(zhi)Ra=12.5μmm的(de)(de)(de)(de)3號(hao)和6號(hao)試塊(kuai)上(shang)(shang)，缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比(bi)非常低，已(yi)經(jing)不(bu)能(neng)清晰(xi)分辨出缺(que)(que)陷(xian)信(xin)號(hao)。在表(biao)(biao)面粗糙(cao)(cao)度值(zhi)Ra＝3.2μm的(de)(de)(de)(de)1號(hao)和4號(hao)試塊(kuai)上(shang)(shang)，缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比(bi)較高，而平磨試塊(kuai)上(shang)(shang)同等(deng)深度的(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)信(xin)噪(zao)比(bi)最高。由此(ci)可見，對于(yu)微小缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)，表(biao)(biao)面粗糙(cao)(cao)度會直接影響(xiang)檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)噪(zao)比(bi)，較大(da)的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面粗糙(cao)(cao)度值(zhi)甚至會帶來漏判或誤判。換言之，在表(biao)(biao)面粗糙(cao)(cao)度確(que)定的(de)(de)(de)(de)情況下，試件(jian)上(shang)(shang)可檢(jian)(jian)測(ce)缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)深度存在極限。
b. 表面粗糙(cao)度(du)對不(bu)同深度(du)裂紋信(xin)噪比的影(ying)響
保持試(shi)(shi)(shi)驗條件(jian)不變，探頭以(yi)相同速度(du)掃查所(suo)有試(shi)(shi)(shi)塊，對(dui)不同深度(du)的裂紋進行漏(lou)磁(ci)檢測。各(ge)試(shi)(shi)(shi)塊得(de)到的缺陷檢測信(xin)號如圖1-12所(suo)示。
分(fen)析檢(jian)測結果，根據(ju)式（1-1）得到(dao)在不同表(biao)面粗糙度下信號信噪比關于裂紋深度的關系曲線，如(ru)圖1-13和圖1-14所示。
分析(xi)圖(tu)1-13所示飛(fei)刀銑表(biao)(biao)(biao)面(mian)上(shang)不(bu)同深度(du)缺陷的(de)(de)(de)信噪(zao)比曲線，對于相同的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)，隨著(zhu)人工裂(lie)紋深度(du)的(de)(de)(de)減小，缺陷信號的(de)(de)(de)信噪(zao)比降(jiang)低。與此對應，如(ru)圖(tu)1-14所示，從立銑試塊的(de)(de)(de)測(ce)試結果可以看出，在(zai)一(yi)定表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)下，裂(lie)紋深度(du)變(bian)(bian)化引起(qi)的(de)(de)(de)信噪(zao)比變(bian)(bian)化趨(qu)勢與飛(fei)刀銑試塊基(ji)本(ben)一(yi)致。但是，由于表(biao)(biao)(biao)面(mian)加工方式的(de)(de)(de)差異，兩組(zu)試塊表(biao)(biao)(biao)面(mian)峰谷(gu)不(bu)平的(de)(de)(de)分布規(gui)律并非完全一(yi)樣，從而導(dao)致采用不(bu)同加工方式形(xing)成的(de)(de)(de)相同表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)表(biao)(biao)(biao)面(mian)上(shang)的(de)(de)(de)相同深度(du)缺陷信噪(zao)比不(bu)同。
以上(shang)試(shi)驗結果表(biao)明(ming)，在(zai)表(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)確定(ding)的情況下(xia)，存在(zai)漏磁檢測(ce)裂紋極限(xian)深度(du)(du)。如果裂紋深度(du)(du)小于(yu)極限(xian)深度(du)(du)，受信噪比(bi)的影(ying)響，漏磁檢測(ce)靈(ling)敏度(du)(du)將降低。表(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)對漏磁檢測(ce)的影(ying)響機理在(zai)于(yu)，表(biao)面(mian)粗糙度(du)(du)引起表(biao)面(mian)微觀峰谷(gu)不平輪(lun)廓，在(zai)兩種不同磁導率材料的分界面(mian)上(shang)，存在(zai)磁折(zhe)射現象，上(shang)凸和下(xia)凹的輪(lun)廓引起了對應(ying)表(biao)面(mian)上(shang)方磁場的不同分布。
3. 粗糙表面的磁場分布(bu)
鐵(tie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性材料的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)機(ji)理通常(chang)是基于下(xia)(xia)(xia)凹型缺(que)陷(xian)處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)泄漏(lou)(lou)，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整的(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)機(ji)理并非傳統簡單的(de)(de)(de)描述，如“磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)泄漏(lou)(lou)”“產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)信(xin)號(hao)”這(zhe)(zhe)樣一(yi)個過程(cheng)。如圖1-15所示(shi)，從磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)折射的(de)(de)(de)角度考慮，漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)中(zhong)，缺(que)陷(xian)附近的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度變(bian)化主要是界面兩(liang)側不同介(jie)質的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)導率差異引起(qi)的(de)(de)(de)。不同的(de)(de)(de)是由于界面處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)折射現象，在凹型缺(que)陷(xian)如裂紋或腐(fu)蝕下(xia)(xia)(xia)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)“正”的(de)(de)(de)MFL信(xin)號(hao)，而在小(xiao)突起(qi)物存(cun)(cun)在的(de)(de)(de)地方(fang)，代表(biao)凸狀缺(que)陷(xian)則產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)“負(fu)”的(de)(de)(de)MFL信(xin)號(hao)。基于這(zhe)(zhe)兩(liang)種(zhong)情況，前者導致上凸的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)，后者產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)個凹陷(xian)的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)。由于這(zhe)(zhe)種(zhong)凹凸信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)存(cun)(cun)在，當感應(ying)單元(yuan)沿著凹凸不平的(de)(de)(de)表(biao)面進行(xing)掃查時，捕獲到的(de)(de)(de)信(xin)號(hao)必定影響(xiang)最終(zhong)檢(jian)測(ce)(ce)結果(guo)。在微尺度條件(jian)下(xia)(xia)(xia)，工(gong)件(jian)表(biao)面的(de)(de)(de)表(biao)面粗糙度模(mo)型中(zhong)，緊密相連的(de)(de)(de)“上凸”部分(fen)和(he)“下(xia)(xia)(xia)凹”部分(fen)會產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)不同的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)折射效應(ying)，故(gu)采(cai)用這(zhe)(zhe)種(zhong)完(wan)整的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)機(ji)理。
無論采(cai)用(yong)哪種加工方法，受刀具(ju)與(yu)零件(jian)間的(de)(de)(de)運動、摩(mo)擦，機床的(de)(de)(de)振動及零件(jian)的(de)(de)(de)塑性變(bian)形(xing)等因(yin)素的(de)(de)(de)影響，所獲得的(de)(de)(de)工件(jian)表(biao)面都存在微觀的(de)(de)(de)不平痕跡，即為(wei)表(biao)面粗糙度，通常(chang)波距(ju)小于(yu)1mm。工件(jian)在使用(yong)過程(cheng)中的(de)(de)(de)磨損、腐蝕介質的(de)(de)(de)侵蝕消耗也會造成表(biao)面粗糙，這種較小間距(ju)的(de)(de)(de)
峰谷所組(zu)成(cheng)的(de)微觀(guan)幾何(he)輪廓(kuo)構成(cheng)表(biao)面(mian)紋理粗(cu)糙(cao)度，通常(chang)采用二維(wei)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度評定標準即能基本滿足(zu)機加(jia)工(gong)零件要(yao)求，常(chang)用評定參數優先選用輪廓(kuo)算術平均(jun)偏差Ra，能夠直接反(fan)映(ying)工(gong)件表(biao)面(mian)峰谷不平的(de)狀態。Ra的(de)定義常(chang)通過圖1-16表(biao)示(shi)。
由(you)Ra的(de)(de)定義可(ke)知，其主要反映(ying)工件(jian)(jian)表(biao)(biao)(biao)面這種峰谷(gu)不(bu)平的(de)(de)狀態(tai)，在漏(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)中，這種峰谷(gu)不(bu)平的(de)(de)狀態(tai)會引(yin)起(qi)工件(jian)(jian)表(biao)(biao)(biao)面磁場強度的(de)(de)分布變化(hua)。Ra反映(ying)的(de)(de)是垂直于工件(jian)(jian)表(biao)(biao)(biao)面方向(xiang)(xiang)的(de)(de)高度變化(hua)，漏(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)中的(de)(de)垂直于工件(jian)(jian)表(biao)(biao)(biao)面方向(xiang)(xiang)對應著缺(que)陷(xian)的(de)(de)深度方向(xiang)(xiang)，因此建立表(biao)(biao)(biao)面粗(cu)糙度元的(de)(de)簡化(hua)模型可(ke)以分析工件(jian)(jian)粗(cu)糙表(biao)(biao)(biao)面的(de)(de)漏(lou)磁場分布規律。
通(tong)常采用規則(ze)的(de)(de)三(san)角形鋸齒狀表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)來建(jian)立表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模(mo)型，模(mo)擬(ni)原本不規則(ze)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)分(fen)布(bu)，便于(yu)定性和定量分(fen)析(xi)。仿(fang)真(zhen)模(mo)型的(de)(de)特(te)點是三(san)角形表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)緊(jin)密相(xiang)連，其間無(wu)間隙。圖1-17所示為仿(fang)真(zhen)分(fen)析(xi)獲得(de)工件及(ji)周(zhou)圍(wei)的(de)(de)磁感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)(ying)強度(du)(du)(du)分(fen)布(bu)云圖，表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)模(mo)型中代表(biao)(biao)峰谷(gu)的(de)(de)凹凸三(san)角形造成了周(zhou)圍(wei)空(kong)間磁感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)(ying)強度(du)(du)(du)的(de)(de)分(fen)布(bu)變化。A區(qu)(qu)域(yu)(yu)代表(biao)(biao)上(shang)凸三(san)角形表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)，其上(shang)方(fang)C區(qu)(qu)域(yu)(yu)的(de)(de)磁感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)(ying)強度(du)(du)(du)弱于(yu)該(gai)區(qu)(qu)域(yu)(yu)周(zhou)圍(wei)的(de)(de)磁感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)(ying)強度(du)(du)(du)；與此同時，緊(jin)鄰(lin)下凹三(san)角形表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)元(yuan)B的(de)(de)上(shang)方(fang)也(ye)存在區(qu)(qu)域(yu)(yu)D，該(gai)區(qu)(qu)域(yu)(yu)的(de)(de)磁感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)(ying)強度(du)(du)(du)大于(yu)其周(zhou)圍(wei)空(kong)間的(de)(de)磁感(gan)(gan)(gan)應(ying)(ying)(ying)強度(du)(du)(du)。
相(xiang)對于(yu)基準面(mian)，提離0.15mm，拾取表面(mian)上(shang)方一段長(chang)度范(fan)圍內磁(ci)感(gan)(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度水(shui)平分量變(bian)化曲線，如(ru)圖(tu)1-18所示。圖(tu)中仿真信號(hao)呈現出上(shang)凸(tu)下(xia)凹的變(bian)化規律，與圖(tu)1-17中的磁(ci)感(gan)(gan)應(ying)強(qiang)(qiang)度變(bian)化規律一致(zhi)。
當表面(mian)粗糙度元(yuan)的高度與缺陷深度具有相同數(shu)量級時，表面(mian)粗糙度元(yuan)引起(qi)的磁場(chang)變化(hua)不可(ke)忽略。若缺陷附近表面(mian)粗糙度元(yuan)產(chan)生的漏磁場(chang)強度與缺陷產(chan)生的漏磁場(chang)強度相當時，將難以分(fen)辨出缺陷信(xin)號。
在(zai)上(shang)(shang)述仿(fang)真模型中，增加裂紋(wen)，仿(fang)真計算(suan)(suan)得到缺陷(xian)所在(zai)區域上(shang)(shang)方的(de)漏磁(ci)場磁(ci)感應(ying)強度(du)(du)水(shui)平(ping)分(fen)量變化曲線(xian)如(ru)圖(tu)1-19所示。顯然，裂紋(wen)周圍的(de)表面粗糙度(du)(du)元產生的(de)磁(ci)噪(zao)聲信(xin)號(hao)，降低了缺陷(xian)的(de)信(xin)噪(zao)比(bi)。當然，在(zai)實(shi)際(ji)生產過程(cheng)中，可(ke)根據圖(tu)1-19 粗糙表面裂紋(wen)上(shang)(shang)方漏磁(ci)場磁(ci)感應(ying)強度(du)(du)水(shui)平(ping)分(fen)量分(fen)布表面粗糙度(du)(du)引起的(de)信(xin)號(hao)特(te)征，采用合適的(de)濾波算(suan)(suan)法去除(chu)噪(zao)聲信(xin)號(hao)，以(yi)提高信(xin)噪(zao)比(bi)。
