由加工方法留(liu)下的(de)表(biao)面痕跡(ji)的(de)深(shen)淺、疏密、形狀和(he)紋(wen)(wen)理都有差異，生產(chan)運行中產(chan)生的(de)表(biao)面痕跡(ji)更是千奇(qi)百怪。這些(xie)微觀的(de)和(he)宏觀的(de)幾何不平整(zheng)在(zai)漏磁(ci)檢測中均會引起磁(ci)場泄漏，由此帶來(lai)的(de)背景漏磁(ci)場信號將會影響微小裂紋(wen)(wen)的(de)漏磁(ci)場測量，并進一步影響到漏磁(ci)檢測的(de)檢測極(ji)限。為(wei)此，研究表(biao)面粗糙度對裂紋(wen)(wen)漏磁(ci)檢測的(de)影響具有重要意義。
1. 表面粗糙度試塊(kuai)
采用Q235碳素結(jie)構鋼制作試(shi)塊(kuai)，試(shi)塊(kuai)尺(chi)寸長300mm、寬(kuan)100mm、厚14mm。首先(xian)，將三塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)(biao)面利用飛刀(dao)進(jin)行銑削加工，如圖1-6所(suo)(suo)示，其(qi)表(biao)(biao)(biao)面粗糙(cao)(cao)度(du)值從左到右依次為Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)(bian)號(hao)(hao)1、2、3。然(ran)后，利用立銑加工另(ling)外三塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)(biao)面，如圖1-7所(suo)(suo)示，其(qi)表(biao)(biao)(biao)面粗糙(cao)(cao)度(du)值從左到右依次為 Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)(bian)號(hao)(hao)4、5、6。另(ling)外，再(zai)采用平磨加工一塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)(biao)面，此(ci)種(zhong)方式獲得的(de)表(biao)(biao)(biao)面質量較(jiao)好，其(qi)表(biao)(biao)(biao)面粗糙(cao)(cao)度(du)值為Ra0.2μm，編(bian)(bian)號(hao)(hao)7。所(suo)(suo)有(you)試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)(biao)面均刻有(you)一組寬(kuan)度(du)為20μm，深度(du)不同(tong)的(de)人工線狀缺陷(xian)，尺(chi)寸如圖1-8所(suo)(suo)示，從左到右深度(du)依次為20μm、45μm、70μm，相鄰缺陷(xian)的(de)間距為70mm。
2. 表面粗糙(cao)度對漏磁檢(jian)測信號(hao)的影(ying)響試驗
檢(jian)測裝(zhuang)置(zhi)主(zhu)要由(you)磁(ci)化器、檢(jian)測探頭(tou)(tou)(tou)、信號(hao)采集(ji)系統、上(shang)(shang)位(wei)機等部(bu)分(fen)組成(cheng)，如圖1-9所示。磁(ci)化器由(you)兩(liang)組線圈組成(cheng)，檢(jian)測探頭(tou)(tou)(tou)安裝(zhuang)在兩(liang)組線圈中間(jian)，以(yi)保證(zheng)檢(jian)測探頭(tou)(tou)(tou)所在的(de)位(wei)置(zhi)磁(ci)場(chang)分(fen)布均(jun)勻。探頭(tou)(tou)(tou)安裝(zhuang)在一(yi)T形支(zhi)(zhi)架(jia)上(shang)(shang)，T形支(zhi)(zhi)架(jia)固定在兩(liang)組線圈上(shang)(shang)方。鋼板在支(zhi)(zhi)撐輪的(de)驅動(dong)下做勻速運動(dong)，在移動(dong)過程中，試塊始終與(yu)探頭(tou)(tou)(tou)保持緊密貼合。檢(jian)測探頭(tou)(tou)(tou)將磁(ci)場(chang)信息轉換(huan)成(cheng)電信號(hao)，并(bing)由(you)采集(ji)卡進行(xing)A-D轉換(huan)后進入計算機，由(you)上(shang)(shang)位(wei)機軟件進行(xing)顯示。
a. 表面粗糙(cao)度對同一(yi)深(shen)度裂紋信(xin)噪比的影(ying)響(xiang)
首先(xian)，利用平磨試塊(kuai)7進(jin)行飽和磁化(hua)下的漏磁檢測試驗(yan)。試塊(kuai)的磁化(hua)方向垂直(zhi)于人工(gong)線狀缺(que)陷，試塊(kuai)以(yi)恒定的速度沿磁化(hua)方向運動，檢測結果(guo)如(ru)圖1-10所示(shi)。
從圖中可以看出(chu)，由于平(ping)磨的(de)表(biao)面(mian)質量較好(hao)，并(bing)未帶(dai)來明顯(xian)的(de)噪(zao)聲信(xin)號。另(ling)外(wai)，信(xin)號峰值與缺(que)陷(xian)的(de)深(shen)度(du)成正(zheng)相關規(gui)律，當缺(que)陷(xian)深(shen)度(du)為20μm左右時，基本無法檢測出(chu)缺(que)陷(xian)信(xin)號。
保持試驗(yan)條(tiao)件不變，獲得1～7號試塊上70μm缺陷(xian)的信噪(zao)比(bi)(bi)，如圖1-11所(suo)示，信噪(zao)比(bi)(bi)公式為(wei) : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代表(biao)信號(hao)最大幅值(zhi)；N代表(biao)噪(zao)聲(sheng)最大幅值(zhi)。
分析圖1-11曲(qu)線變(bian)化規律可(ke)(ke)知，對于(yu)(yu)深(shen)度(du)為70μm的(de)(de)缺陷(xian)(xian)(xian)，隨著(zhu)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值的(de)(de)不斷(duan)增大(da)，檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪(zao)比逐漸降低(di)。其中(zhong)，在表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值Ra=12.5μmm的(de)(de)3號(hao)(hao)和(he)(he)6號(hao)(hao)試塊(kuai)上，缺陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪(zao)比非(fei)常低(di)，已經不能清晰分辨出缺陷(xian)(xian)(xian)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)。在表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值Ra＝3.2μm的(de)(de)1號(hao)(hao)和(he)(he)4號(hao)(hao)試塊(kuai)上，缺陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪(zao)比較高(gao)，而平磨試塊(kuai)上同(tong)等(deng)深(shen)度(du)的(de)(de)缺陷(xian)(xian)(xian)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪(zao)比最高(gao)。由(you)此可(ke)(ke)見(jian)，對于(yu)(yu)微小缺陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)，表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)會直接影響檢(jian)測(ce)(ce)(ce)信(xin)(xin)(xin)(xin)(xin)噪(zao)比，較大(da)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)值甚至會帶來(lai)漏判或誤(wu)判。換言之，在表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)確(que)定(ding)的(de)(de)情況下，試件上可(ke)(ke)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)缺陷(xian)(xian)(xian)的(de)(de)深(shen)度(du)存在極限。
b. 表(biao)面粗糙度對不同深度裂紋信噪比的(de)影響(xiang)
保持(chi)試(shi)驗條件不變(bian)，探頭以相同(tong)速度掃查(cha)所有試(shi)塊(kuai)，對不同(tong)深度的(de)裂紋(wen)進行漏磁檢測。各試(shi)塊(kuai)得到的(de)缺陷檢測信號如圖1-12所示。
分析(xi)檢測結(jie)果，根據(ju)式（1-1）得到在不同表面(mian)粗糙度(du)下信(xin)號信(xin)噪比關于裂紋深度(du)的關系曲線，如圖(tu)1-13和圖(tu)1-14所(suo)示。
分析(xi)圖1-13所示飛刀(dao)銑表(biao)(biao)面(mian)(mian)上不同深(shen)度(du)(du)缺(que)陷(xian)的(de)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)曲線，對(dui)于相(xiang)同的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)(du)，隨著人(ren)工裂紋(wen)(wen)深(shen)度(du)(du)的(de)減小，缺(que)陷(xian)信(xin)(xin)(xin)號的(de)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)降低。與此對(dui)應，如圖1-14所示，從(cong)立銑試(shi)塊(kuai)的(de)測試(shi)結果可以看出，在一(yi)定表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)(du)下，裂紋(wen)(wen)深(shen)度(du)(du)變化引起的(de)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)變化趨勢(shi)與飛刀(dao)銑試(shi)塊(kuai)基本一(yi)致。但是，由(you)于表(biao)(biao)面(mian)(mian)加工方式(shi)的(de)差異(yi)，兩(liang)組試(shi)塊(kuai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)峰谷(gu)不平(ping)的(de)分布規律并非完全一(yi)樣，從(cong)而導致采(cai)用不同加工方式(shi)形成的(de)相(xiang)同表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)(du)表(biao)(biao)面(mian)(mian)上的(de)相(xiang)同深(shen)度(du)(du)缺(que)陷(xian)信(xin)(xin)(xin)噪比(bi)不同。
以上(shang)試驗結(jie)果表(biao)明，在(zai)(zai)表(biao)面粗(cu)糙度確定的(de)情(qing)況下(xia)，存在(zai)(zai)漏磁(ci)(ci)檢(jian)測裂紋(wen)極限深(shen)度。如(ru)果裂紋(wen)深(shen)度小于(yu)極限深(shen)度，受信噪比的(de)影響，漏磁(ci)(ci)檢(jian)測靈敏度將降(jiang)低。表(biao)面粗(cu)糙度對漏磁(ci)(ci)檢(jian)測的(de)影響機理在(zai)(zai)于(yu)，表(biao)面粗(cu)糙度引(yin)起(qi)表(biao)面微觀峰谷不(bu)(bu)平輪(lun)廓，在(zai)(zai)兩(liang)種不(bu)(bu)同磁(ci)(ci)導(dao)率材料的(de)分(fen)界(jie)面上(shang)，存在(zai)(zai)磁(ci)(ci)折(zhe)射現象，上(shang)凸(tu)和下(xia)凹(ao)的(de)輪(lun)廓引(yin)起(qi)了對應(ying)表(biao)面上(shang)方磁(ci)(ci)場的(de)不(bu)(bu)同分(fen)布(bu)。
3. 粗糙表面的磁場(chang)分布
鐵磁(ci)(ci)(ci)性材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測機理(li)(li)通常是(shi)基(ji)于下(xia)凹(ao)型缺陷處的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)泄漏(lou)，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢測機理(li)(li)并非(fei)傳統簡單的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)描述，如(ru)(ru)“磁(ci)(ci)(ci)場(chang)(chang)泄漏(lou)”“產(chan)(chan)(chan)生(sheng)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)信(xin)(xin)(xin)號(hao)”這(zhe)樣一個(ge)過(guo)程。如(ru)(ru)圖1-15所(suo)示，從磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)考慮，漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測中(zhong)，缺陷附近的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)強度(du)變化(hua)主要是(shi)界(jie)面兩(liang)側不(bu)同介質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)導(dao)率(lv)差異引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)由于界(jie)面處的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)現象，在(zai)(zai)凹(ao)型缺陷如(ru)(ru)裂紋或腐蝕(shi)下(xia)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)“正”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)(xin)號(hao)，而在(zai)(zai)小(xiao)突起物存(cun)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)地方，代表(biao)凸(tu)狀缺陷則產(chan)(chan)(chan)生(sheng)“負”的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)MFL信(xin)(xin)(xin)號(hao)。基(ji)于這(zhe)兩(liang)種情況，前者導(dao)致(zhi)上(shang)凸(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)號(hao)，后者產(chan)(chan)(chan)生(sheng)一個(ge)凹(ao)陷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)號(hao)。由于這(zhe)種凹(ao)凸(tu)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)(zai)，當感應(ying)單元沿著凹(ao)凸(tu)不(bu)平的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面進行(xing)掃(sao)查時，捕獲到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)號(hao)必定影響最終檢測結果。在(zai)(zai)微(wei)尺度(du)條件下(xia)，工(gong)件表(biao)面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面粗糙(cao)度(du)模(mo)型中(zhong)，緊密相連(lian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)“上(shang)凸(tu)”部(bu)分和“下(xia)凹(ao)”部(bu)分會產(chan)(chan)(chan)生(sheng)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)效應(ying)，故采用這(zhe)種完(wan)整(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測機理(li)(li)。
無論采用哪種加(jia)工方法，受刀具與(yu)零件(jian)間(jian)的運動、摩擦(ca)，機床的振(zhen)動及(ji)零件(jian)的塑性(xing)變形等因素的影(ying)響，所獲得(de)的工件(jian)表面(mian)都存在(zai)微(wei)觀的不(bu)平(ping)痕跡，即為表面(mian)粗糙度，通常波距小于(yu)1mm。工件(jian)在(zai)使用過程中(zhong)的磨損、腐蝕介質的侵蝕消耗也會(hui)造成表面(mian)粗糙，這(zhe)種較小間(jian)距的
峰谷所組成的(de)(de)微觀幾何輪廓構成表(biao)(biao)面紋理(li)粗糙度，通常采用(yong)二維(wei)表(biao)(biao)面粗糙度評(ping)定(ding)標準即能(neng)基本滿(man)足機加工(gong)零件要(yao)求，常用(yong)評(ping)定(ding)參(can)數優(you)先選(xuan)用(yong)輪廓算術平均偏差Ra，能(neng)夠(gou)直接(jie)反映工(gong)件表(biao)(biao)面峰谷不平的(de)(de)狀(zhuang)態。Ra的(de)(de)定(ding)義(yi)常通過圖1-16表(biao)(biao)示。
由(you)Ra的(de)(de)(de)定義可知(zhi)，其主要(yao)反映工(gong)件(jian)表(biao)面這種峰谷不(bu)平(ping)的(de)(de)(de)狀態，在漏(lou)磁檢測中，這種峰谷不(bu)平(ping)的(de)(de)(de)狀態會引(yin)起工(gong)件(jian)表(biao)面磁場(chang)強度的(de)(de)(de)分(fen)布(bu)變(bian)化(hua)(hua)。Ra反映的(de)(de)(de)是(shi)垂直(zhi)于(yu)工(gong)件(jian)表(biao)面方向(xiang)的(de)(de)(de)高度變(bian)化(hua)(hua)，漏(lou)磁檢測中的(de)(de)(de)垂直(zhi)于(yu)工(gong)件(jian)表(biao)面方向(xiang)對(dui)應著缺陷的(de)(de)(de)深(shen)度方向(xiang)，因此建立表(biao)面粗糙(cao)度元的(de)(de)(de)簡化(hua)(hua)模型可以分(fen)析(xi)工(gong)件(jian)粗糙(cao)表(biao)面的(de)(de)(de)漏(lou)磁場(chang)分(fen)布(bu)規律。
通(tong)常(chang)采用規則的(de)(de)三(san)角(jiao)(jiao)(jiao)形(xing)鋸(ju)齒狀表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)(cao)度(du)元(yuan)(yuan)來建立(li)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)(cao)度(du)模型(xing)，模擬原本(ben)不規則的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)(cao)度(du)元(yuan)(yuan)分布(bu)，便于定性(xing)和定量分析。仿真(zhen)模型(xing)的(de)(de)特點是三(san)角(jiao)(jiao)(jiao)形(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)(cao)度(du)元(yuan)(yuan)緊密相連，其間(jian)無間(jian)隙。圖(tu)1-17所(suo)示為仿真(zhen)分析獲得工件及周(zhou)圍的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)分布(bu)云圖(tu)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)(cao)度(du)模型(xing)中代(dai)表(biao)(biao)峰谷的(de)(de)凹(ao)凸(tu)三(san)角(jiao)(jiao)(jiao)形(xing)造成(cheng)了周(zhou)圍空(kong)(kong)間(jian)磁(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)的(de)(de)分布(bu)變化(hua)。A區(qu)域(yu)代(dai)表(biao)(biao)上凸(tu)三(san)角(jiao)(jiao)(jiao)形(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)(cao)度(du)元(yuan)(yuan)，其上方C區(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)弱于該區(qu)域(yu)周(zhou)圍的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)；與(yu)此同時(shi)，緊鄰下凹(ao)三(san)角(jiao)(jiao)(jiao)形(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)(cao)(cao)度(du)元(yuan)(yuan)B的(de)(de)上方也存在區(qu)域(yu)D，該區(qu)域(yu)的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)大于其周(zhou)圍空(kong)(kong)間(jian)的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)強(qiang)度(du)。
相對于基準面，提離0.15mm，拾取(qu)表面上方一段長度范圍(wei)內磁感應強度水平分量變化曲線，如圖1-18所示(shi)。圖中仿(fang)真(zhen)信號呈現出上凸下凹(ao)的變化規律，與圖1-17中的磁感應強度變化規律一致。
當表面(mian)粗糙(cao)度(du)元(yuan)的高度(du)與(yu)缺(que)陷深度(du)具(ju)有相(xiang)(xiang)同數量級時，表面(mian)粗糙(cao)度(du)元(yuan)引(yin)起的磁(ci)(ci)場(chang)變化(hua)不可忽略。若缺(que)陷附近表面(mian)粗糙(cao)度(du)元(yuan)產生的漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)強(qiang)度(du)與(yu)缺(que)陷產生的漏(lou)磁(ci)(ci)場(chang)強(qiang)度(du)相(xiang)(xiang)當時，將難以分辨(bian)出缺(que)陷信號。
在(zai)上(shang)述仿真模(mo)型中，增加裂紋，仿真計算(suan)得到(dao)缺陷所在(zai)區(qu)域(yu)上(shang)方的(de)漏(lou)磁(ci)場磁(ci)感(gan)應(ying)強度(du)水(shui)平(ping)分(fen)量變化曲(qu)線如(ru)圖1-19所示。顯(xian)然，裂紋周圍的(de)表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)元產生的(de)磁(ci)噪聲信(xin)號，降低了(le)缺陷的(de)信(xin)噪比。當然，在(zai)實際生產過程中，可根據圖1-19 粗糙表(biao)(biao)面(mian)裂紋上(shang)方漏(lou)磁(ci)場磁(ci)感(gan)應(ying)強度(du)水(shui)平(ping)分(fen)量分(fen)布表(biao)(biao)面(mian)粗糙度(du)引起的(de)信(xin)號特征，采用(yong)合適的(de)濾波算(suan)法去除噪聲信(xin)號，以提高信(xin)噪比。
