由加工(gong)方法留下的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)痕跡的(de)深淺、疏密、形狀和紋理都有(you)差異，生產運行中(zhong)產生的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)痕跡更是千奇(qi)百怪。這些微(wei)觀的(de)和宏觀的(de)幾何不平整(zheng)在漏磁(ci)檢(jian)測中(zhong)均會引起磁(ci)場(chang)泄漏，由此(ci)(ci)帶(dai)來的(de)背景(jing)漏磁(ci)場(chang)信號將會影(ying)響(xiang)微(wei)小裂紋的(de)漏磁(ci)場(chang)測量(liang)，并(bing)進一(yi)步影(ying)響(xiang)到(dao)漏磁(ci)檢(jian)測的(de)檢(jian)測極限。為此(ci)(ci)，研(yan)究表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度對裂紋漏磁(ci)檢(jian)測的(de)影(ying)響(xiang)具有(you)重要意義。
1. 表面粗糙度試塊
采用(yong)Q235碳素結(jie)構鋼制作(zuo)試塊(kuai)，試塊(kuai)尺(chi)寸長(chang)300mm、寬100mm、厚14mm。首先(xian)，將(jiang)三(san)塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)利用(yong)飛(fei)刀進(jin)行銑削(xue)加(jia)工(gong)，如圖(tu)1-6所示(shi)，其表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度值從(cong)左(zuo)到(dao)右依次為(wei)(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號1、2、3。然后(hou)，利用(yong)立銑加(jia)工(gong)另外三(san)塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，如圖(tu)1-7所示(shi)，其表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度值從(cong)左(zuo)到(dao)右依次為(wei)(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號4、5、6。另外，再采用(yong)平(ping)磨(mo)加(jia)工(gong)一(yi)塊(kuai)試塊(kuai)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，此種方式獲得的表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)質量較好，其表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度值為(wei)(wei)Ra0.2μm，編號7。所有(you)(you)試塊(kuai)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)均刻有(you)(you)一(yi)組寬度為(wei)(wei)20μm，深度不同的人工(gong)線狀缺陷(xian)，尺(chi)寸如圖(tu)1-8所示(shi)，從(cong)左(zuo)到(dao)右深度依次為(wei)(wei)20μm、45μm、70μm，相(xiang)鄰缺陷(xian)的間距為(wei)(wei)70mm。
2. 表面粗糙(cao)度對漏磁檢測(ce)信號的影響試(shi)驗
檢(jian)測(ce)裝置(zhi)主(zhu)要由(you)磁化器、檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、信號采集系統、上位機(ji)等部分(fen)(fen)組(zu)成(cheng)(cheng)，如圖1-9所示。磁化器由(you)兩(liang)組(zu)線圈(quan)(quan)組(zu)成(cheng)(cheng)，檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝在(zai)(zai)兩(liang)組(zu)線圈(quan)(quan)中間，以保(bao)證檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)所在(zai)(zai)的位置(zhi)磁場分(fen)(fen)布均勻。探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝在(zai)(zai)一T形(xing)(xing)支(zhi)架上，T形(xing)(xing)支(zhi)架固定在(zai)(zai)兩(liang)組(zu)線圈(quan)(quan)上方。鋼(gang)板在(zai)(zai)支(zhi)撐(cheng)輪的驅動(dong)(dong)下(xia)做勻速運(yun)動(dong)(dong)，在(zai)(zai)移動(dong)(dong)過程中，試塊始(shi)終與探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)保(bao)持緊密貼合。檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)將磁場信息轉(zhuan)(zhuan)換成(cheng)(cheng)電信號，并(bing)由(you)采集卡(ka)進(jin)行A-D轉(zhuan)(zhuan)換后進(jin)入(ru)計算機(ji)，由(you)上位機(ji)軟件進(jin)行顯示。
a. 表(biao)面粗糙度(du)(du)對同一深度(du)(du)裂紋信噪比的影響
首先(xian)，利用(yong)平磨試塊7進行飽和磁(ci)化下的漏(lou)磁(ci)檢測試驗。試塊的磁(ci)化方向垂(chui)直于人(ren)工線狀缺(que)陷(xian)，試塊以恒定的速(su)度沿磁(ci)化方向運(yun)動，檢測結果(guo)如圖(tu)1-10所示。
從圖中(zhong)可(ke)以看出(chu)，由于平磨(mo)的(de)表面質量(liang)較好，并未帶來明顯的(de)噪聲(sheng)信(xin)號(hao)。另外，信(xin)號(hao)峰值與缺(que)陷的(de)深度(du)成正相關規律，當缺(que)陷深度(du)為(wei)20μm左(zuo)右時，基本無法(fa)檢(jian)測出(chu)缺(que)陷信(xin)號(hao)。
保持試(shi)(shi)驗條(tiao)件不變，獲得1～7號試(shi)(shi)塊上70μm缺陷的信噪(zao)比，如圖1-11所示(shi)，信噪(zao)比公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式(shi)中，S代表信(xin)號最(zui)大幅值；N代表噪聲最(zui)大幅值。
分析圖1-11曲線變化規(gui)律可知，對(dui)于(yu)深度(du)(du)為70μm的(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)，隨著表(biao)(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)值的(de)(de)不(bu)斷增大(da)，檢(jian)(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)(zao)比(bi)逐漸(jian)降低(di)。其中，在(zai)(zai)表(biao)(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)值Ra=12.5μmm的(de)(de)3號(hao)(hao)和(he)6號(hao)(hao)試(shi)(shi)塊上，缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)(zao)比(bi)非常低(di)，已經不(bu)能(neng)清晰分辨出缺(que)(que)陷(xian)信(xin)(xin)號(hao)(hao)。在(zai)(zai)表(biao)(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)值Ra＝3.2μm的(de)(de)1號(hao)(hao)和(he)4號(hao)(hao)試(shi)(shi)塊上，缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)(zao)比(bi)較(jiao)高，而平磨試(shi)(shi)塊上同等(deng)深度(du)(du)的(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)(zao)比(bi)最高。由此可見，對(dui)于(yu)微小缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測，表(biao)(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)會直(zhi)接影響檢(jian)(jian)(jian)(jian)測信(xin)(xin)噪(zao)(zao)(zao)比(bi)，較(jiao)大(da)的(de)(de)表(biao)(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)值甚至會帶(dai)來漏(lou)判或誤判。換(huan)言(yan)之，在(zai)(zai)表(biao)(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)確定的(de)(de)情況下，試(shi)(shi)件上可檢(jian)(jian)(jian)(jian)測缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)深度(du)(du)存(cun)在(zai)(zai)極限。
b. 表(biao)面粗糙度對不同深度裂(lie)紋信噪(zao)比的影響
保持試(shi)驗(yan)條件(jian)不(bu)變(bian)，探(tan)頭以相同(tong)速度掃(sao)查所(suo)有試(shi)塊(kuai)，對不(bu)同(tong)深度的(de)裂紋進行漏磁(ci)檢(jian)測(ce)。各(ge)試(shi)塊(kuai)得到的(de)缺陷檢(jian)測(ce)信號(hao)如圖1-12所(suo)示。
分析檢測結(jie)果，根據式（1-1）得到在(zai)不(bu)同(tong)表(biao)面粗(cu)糙度(du)下信號信噪比關于裂(lie)紋(wen)深度(du)的關系曲線，如圖1-13和圖1-14所示。
分析圖1-13所(suo)示(shi)飛刀銑表(biao)(biao)面(mian)上(shang)不(bu)同(tong)(tong)(tong)深度(du)(du)(du)缺陷(xian)的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)曲線，對(dui)于相(xiang)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)，隨著人工(gong)裂(lie)紋(wen)深度(du)(du)(du)的(de)(de)減小，缺陷(xian)信(xin)(xin)號的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)降低(di)。與此對(dui)應，如圖1-14所(suo)示(shi)，從立銑試(shi)塊(kuai)(kuai)的(de)(de)測試(shi)結果可以看出，在一(yi)(yi)定表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)下，裂(lie)紋(wen)深度(du)(du)(du)變化(hua)引起的(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)變化(hua)趨勢與飛刀銑試(shi)塊(kuai)(kuai)基本一(yi)(yi)致。但是，由于表(biao)(biao)面(mian)加(jia)工(gong)方式(shi)的(de)(de)差異，兩組試(shi)塊(kuai)(kuai)表(biao)(biao)面(mian)峰谷不(bu)平的(de)(de)分布規(gui)律并非完全(quan)一(yi)(yi)樣(yang)，從而導(dao)致采用不(bu)同(tong)(tong)(tong)加(jia)工(gong)方式(shi)形成的(de)(de)相(xiang)同(tong)(tong)(tong)表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)表(biao)(biao)面(mian)上(shang)的(de)(de)相(xiang)同(tong)(tong)(tong)深度(du)(du)(du)缺陷(xian)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)不(bu)同(tong)(tong)(tong)。
以上(shang)(shang)試驗結果表(biao)明，在表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)確(que)定的(de)(de)情況下，存在漏磁(ci)檢測(ce)裂紋極(ji)限(xian)深(shen)度(du)(du)。如果裂紋深(shen)度(du)(du)小于極(ji)限(xian)深(shen)度(du)(du)，受信(xin)噪比的(de)(de)影(ying)響，漏磁(ci)檢測(ce)靈(ling)敏度(du)(du)將(jiang)降低。表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)對漏磁(ci)檢測(ce)的(de)(de)影(ying)響機理在于，表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)(du)引(yin)起表(biao)面(mian)微觀(guan)峰谷不(bu)(bu)平輪廓(kuo)，在兩種不(bu)(bu)同(tong)(tong)磁(ci)導率材料的(de)(de)分界(jie)面(mian)上(shang)(shang)，存在磁(ci)折射現象，上(shang)(shang)凸和下凹的(de)(de)輪廓(kuo)引(yin)起了對應表(biao)面(mian)上(shang)(shang)方(fang)磁(ci)場的(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)分布。
3. 粗(cu)糙表面的磁場(chang)分布(bu)
鐵磁(ci)(ci)(ci)性材料的(de)(de)(de)(de)漏(lou)(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測機(ji)理(li)通常是(shi)(shi)基于下(xia)(xia)凹(ao)(ao)型(xing)缺陷(xian)(xian)處(chu)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場泄漏(lou)(lou)(lou)(lou)，而(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完整(zheng)的(de)(de)(de)(de)檢(jian)測機(ji)理(li)并非(fei)傳(chuan)統簡(jian)單的(de)(de)(de)(de)描述，如(ru)“磁(ci)(ci)(ci)場泄漏(lou)(lou)(lou)(lou)”“產(chan)(chan)生漏(lou)(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)信(xin)號”這(zhe)樣一(yi)個過程。如(ru)圖(tu)1-15所示，從磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)的(de)(de)(de)(de)角度(du)考(kao)慮，漏(lou)(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測中，缺陷(xian)(xian)附近的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度(du)變化(hua)主(zhu)要是(shi)(shi)界面兩側不(bu)同介質的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)導(dao)率差異引(yin)起(qi)的(de)(de)(de)(de)。不(bu)同的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)由于界面處(chu)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)現(xian)象，在凹(ao)(ao)型(xing)缺陷(xian)(xian)如(ru)裂紋或腐蝕下(xia)(xia)產(chan)(chan)生“正”的(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)號，而(er)在小突起(qi)物(wu)存在的(de)(de)(de)(de)地(di)方，代(dai)表(biao)凸(tu)狀缺陷(xian)(xian)則(ze)產(chan)(chan)生“負”的(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)號。基于這(zhe)兩種(zhong)情況，前者(zhe)(zhe)導(dao)致上(shang)凸(tu)的(de)(de)(de)(de)信(xin)號，后(hou)者(zhe)(zhe)產(chan)(chan)生一(yi)個凹(ao)(ao)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)信(xin)號。由于這(zhe)種(zhong)凹(ao)(ao)凸(tu)信(xin)號的(de)(de)(de)(de)存在，當感應(ying)單元(yuan)沿著凹(ao)(ao)凸(tu)不(bu)平(ping)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面進行掃查時，捕獲到的(de)(de)(de)(de)信(xin)號必(bi)定影響最終檢(jian)測結果。在微尺度(du)條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)，工件(jian)表(biao)面的(de)(de)(de)(de)表(biao)面粗糙度(du)模型(xing)中，緊密相連的(de)(de)(de)(de)“上(shang)凸(tu)”部分和“下(xia)(xia)凹(ao)(ao)”部分會(hui)產(chan)(chan)生不(bu)同的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)效(xiao)應(ying)，故采用這(zhe)種(zhong)完整(zheng)的(de)(de)(de)(de)漏(lou)(lou)(lou)(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測機(ji)理(li)。
無論采用(yong)哪種加工(gong)方法，受刀(dao)具(ju)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(deng)因(yin)素的(de)影響，所獲得的(de)工(gong)件表(biao)面都存在微觀的(de)不平痕跡，即為表(biao)面粗(cu)糙(cao)度，通(tong)常(chang)波距小(xiao)于1mm。工(gong)件在使用(yong)過程中的(de)磨損(sun)、腐蝕介質的(de)侵蝕消耗也會造成表(biao)面粗(cu)糙(cao)，這種較小(xiao)間距的(de)
峰谷所組成(cheng)的(de)微觀幾何輪廓構成(cheng)表(biao)面紋理(li)粗糙(cao)度(du)，通常(chang)采(cai)用二(er)維表(biao)面粗糙(cao)度(du)評(ping)定(ding)標準即能基本滿(man)足(zu)機加工零件要求，常(chang)用評(ping)定(ding)參數(shu)優先選用輪廓算術平均偏差Ra，能夠(gou)直接反(fan)映工件表(biao)面峰谷不平的(de)狀態(tai)。Ra的(de)定(ding)義(yi)常(chang)通過圖(tu)1-16表(biao)示。
由Ra的(de)(de)(de)定(ding)義可(ke)知，其主要(yao)反映(ying)工件表(biao)面(mian)(mian)(mian)這(zhe)種峰(feng)谷(gu)不平(ping)的(de)(de)(de)狀態(tai)，在漏(lou)(lou)磁檢(jian)測中，這(zhe)種峰(feng)谷(gu)不平(ping)的(de)(de)(de)狀態(tai)會(hui)引(yin)起工件表(biao)面(mian)(mian)(mian)磁場(chang)強度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)分布變化。Ra反映(ying)的(de)(de)(de)是垂(chui)直(zhi)于(yu)工件表(biao)面(mian)(mian)(mian)方向(xiang)的(de)(de)(de)高度(du)(du)(du)變化，漏(lou)(lou)磁檢(jian)測中的(de)(de)(de)垂(chui)直(zhi)于(yu)工件表(biao)面(mian)(mian)(mian)方向(xiang)對應著(zhu)缺陷的(de)(de)(de)深度(du)(du)(du)方向(xiang)，因此建立(li)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)(du)(du)元的(de)(de)(de)簡化模型可(ke)以分析工件粗糙表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁場(chang)分布規律。
通常(chang)采用(yong)規則的(de)(de)三(san)角(jiao)形(xing)鋸齒狀(zhuang)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)元來建立表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)模型，模擬(ni)原本不規則的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)元分(fen)(fen)布(bu)，便于(yu)定(ding)性和定(ding)量分(fen)(fen)析。仿真模型的(de)(de)特點是三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)元緊密相連，其(qi)(qi)間(jian)(jian)無(wu)間(jian)(jian)隙。圖(tu)1-17所示為仿真分(fen)(fen)析獲得工件(jian)及周(zhou)圍(wei)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)分(fen)(fen)布(bu)云圖(tu)，表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)模型中代表(biao)峰谷的(de)(de)凹(ao)凸三(san)角(jiao)形(xing)造成了周(zhou)圍(wei)空間(jian)(jian)磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)的(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)變化。A區(qu)域(yu)代表(biao)上凸三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)元，其(qi)(qi)上方C區(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)弱于(yu)該(gai)區(qu)域(yu)周(zhou)圍(wei)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)；與此同(tong)時，緊鄰下凹(ao)三(san)角(jiao)形(xing)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)(du)(du)元B的(de)(de)上方也存在區(qu)域(yu)D，該(gai)區(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)大于(yu)其(qi)(qi)周(zhou)圍(wei)空間(jian)(jian)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)。
相對于基準面(mian)(mian)，提離0.15mm，拾(shi)取表面(mian)(mian)上方一(yi)段(duan)長度范圍內磁(ci)感(gan)應強(qiang)(qiang)度水(shui)平分量(liang)變化曲線，如圖(tu)1-18所示(shi)。圖(tu)中仿真(zhen)信號呈現出上凸(tu)下凹的(de)變化規律(lv)，與圖(tu)1-17中的(de)磁(ci)感(gan)應強(qiang)(qiang)度變化規律(lv)一(yi)致。
當表面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)元(yuan)(yuan)的(de)高度(du)(du)與缺(que)(que)陷深度(du)(du)具(ju)有相同(tong)數量級時，表面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)元(yuan)(yuan)引起的(de)磁(ci)(ci)場變(bian)化不可忽略。若缺(que)(que)陷附近表面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)元(yuan)(yuan)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)漏磁(ci)(ci)場強(qiang)度(du)(du)與缺(que)(que)陷產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)漏磁(ci)(ci)場強(qiang)度(du)(du)相當時，將難(nan)以分辨出缺(que)(que)陷信號。
在上述仿(fang)(fang)真模型中(zhong)，增加裂(lie)紋，仿(fang)(fang)真計算得到缺(que)陷所在區域(yu)上方的(de)漏磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感應強(qiang)度水平(ping)分量(liang)變化(hua)曲線如圖1-19所示(shi)。顯然，裂(lie)紋周圍的(de)表面(mian)粗(cu)糙度元產生(sheng)的(de)磁(ci)(ci)噪(zao)聲信(xin)(xin)號，降低了缺(que)陷的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)。當(dang)然，在實(shi)際生(sheng)產過程中(zhong)，可根據圖1-19 粗(cu)糙表面(mian)裂(lie)紋上方漏磁(ci)(ci)場(chang)磁(ci)(ci)感應強(qiang)度水平(ping)分量(liang)分布表面(mian)粗(cu)糙度引起的(de)信(xin)(xin)號特征，采(cai)用(yong)合適的(de)濾波算法(fa)去除(chu)噪(zao)聲信(xin)(xin)號，以(yi)提高信(xin)(xin)噪(zao)比(bi)。
