由加工方法留(liu)下的(de)表面(mian)痕跡的(de)深淺、疏(shu)密、形狀(zhuang)和紋(wen)理都(dou)有(you)差異，生產(chan)運(yun)行中產(chan)生的(de)表面(mian)痕跡更是千奇百怪。這些微(wei)(wei)觀的(de)和宏觀的(de)幾何不平整在漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢測中均會引(yin)起磁(ci)場泄漏(lou)(lou)(lou)，由此(ci)帶來(lai)的(de)背景漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)場信號(hao)將(jiang)會影(ying)響(xiang)微(wei)(wei)小裂紋(wen)的(de)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)場測量，并(bing)進一步影(ying)響(xiang)到(dao)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢測的(de)檢測極限。為此(ci)，研(yan)究(jiu)表面(mian)粗(cu)糙度(du)對裂紋(wen)漏(lou)(lou)(lou)磁(ci)檢測的(de)影(ying)響(xiang)具(ju)有(you)重要意義。
1. 表(biao)面粗糙度試塊
采(cai)用Q235碳素結構鋼制(zhi)作(zuo)試(shi)塊(kuai)(kuai)，試(shi)塊(kuai)(kuai)尺(chi)寸(cun)長300mm、寬100mm、厚(hou)14mm。首先，將三塊(kuai)(kuai)試(shi)塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)利用飛刀進行銑削加工，如(ru)圖(tu)(tu)(tu)1-6所(suo)(suo)(suo)示，其表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)值從(cong)左(zuo)到(dao)右(you)依(yi)(yi)次為(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號1、2、3。然后，利用立銑加工另(ling)外三塊(kuai)(kuai)試(shi)塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)，如(ru)圖(tu)(tu)(tu)1-7所(suo)(suo)(suo)示，其表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)值從(cong)左(zuo)到(dao)右(you)依(yi)(yi)次為(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編(bian)號4、5、6。另(ling)外，再采(cai)用平磨加工一塊(kuai)(kuai)試(shi)塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)，此種方式獲得的(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)質量較好，其表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度(du)值為(wei)Ra0.2μm，編(bian)號7。所(suo)(suo)(suo)有試(shi)塊(kuai)(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)均刻(ke)有一組寬度(du)為(wei)20μm，深度(du)不同的(de)人工線狀缺陷，尺(chi)寸(cun)如(ru)圖(tu)(tu)(tu)1-8所(suo)(suo)(suo)示，從(cong)左(zuo)到(dao)右(you)深度(du)依(yi)(yi)次為(wei)20μm、45μm、70μm，相(xiang)鄰缺陷的(de)間(jian)距為(wei)70mm。
2. 表面粗糙度對(dui)漏磁檢測信號的影響試驗
檢(jian)(jian)測裝置主要由磁(ci)化器、檢(jian)(jian)測探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、信(xin)號采集系統(tong)、上(shang)位機等(deng)部(bu)分組(zu)(zu)成，如圖1-9所示。磁(ci)化器由兩(liang)組(zu)(zu)線(xian)圈(quan)組(zu)(zu)成，檢(jian)(jian)測探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝在(zai)兩(liang)組(zu)(zu)線(xian)圈(quan)中間，以保證檢(jian)(jian)測探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)所在(zai)的位置磁(ci)場分布均勻。探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝在(zai)一T形支(zhi)架(jia)上(shang)，T形支(zhi)架(jia)固定在(zai)兩(liang)組(zu)(zu)線(xian)圈(quan)上(shang)方。鋼板在(zai)支(zhi)撐輪的驅動(dong)下做(zuo)勻速(su)運動(dong)，在(zai)移動(dong)過程(cheng)中，試塊始終(zhong)與探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)保持緊密貼合。檢(jian)(jian)測探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)將磁(ci)場信(xin)息轉(zhuan)換成電信(xin)號，并由采集卡(ka)進行A-D轉(zhuan)換后進入(ru)計(ji)算機，由上(shang)位機軟件進行顯示。
a. 表面(mian)粗糙度(du)(du)對同一深度(du)(du)裂紋信噪比的影響(xiang)
首(shou)先，利(li)用平磨試塊(kuai)7進行飽(bao)和磁(ci)(ci)化下(xia)的(de)漏磁(ci)(ci)檢測試驗。試塊(kuai)的(de)磁(ci)(ci)化方(fang)向垂直于人(ren)工線(xian)狀缺陷，試塊(kuai)以恒(heng)定的(de)速度沿磁(ci)(ci)化方(fang)向運(yun)動，檢測結果如圖1-10所示。
從圖中可以看出(chu)，由(you)于平(ping)磨的(de)表(biao)面質量較好，并未帶(dai)來(lai)明顯的(de)噪聲(sheng)信號(hao)。另外(wai)，信號(hao)峰值(zhi)與(yu)缺(que)陷(xian)的(de)深(shen)度成(cheng)正(zheng)相(xiang)關規律，當(dang)缺(que)陷(xian)深(shen)度為20μm左右時，基(ji)本無(wu)法(fa)檢測出(chu)缺(que)陷(xian)信號(hao)。
保持試(shi)驗條(tiao)件不變，獲(huo)得1～7號試(shi)塊上70μm缺(que)陷的信噪(zao)比，如(ru)圖(tu)1-11所示(shi)，信噪(zao)比公式(shi)為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中，S代(dai)(dai)表信號最(zui)大幅值；N代(dai)(dai)表噪聲最(zui)大幅值。
分(fen)析(xi)圖1-11曲線變化(hua)規律(lv)可(ke)(ke)知，對(dui)于深度(du)(du)(du)(du)為70μm的(de)(de)(de)缺(que)(que)陷，隨著表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)值(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)不斷增大(da)，檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)(bi)逐漸降低(di)。其中，在(zai)(zai)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)值(zhi)(zhi)Ra=12.5μmm的(de)(de)(de)3號(hao)(hao)和(he)6號(hao)(hao)試塊上，缺(que)(que)陷檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)(bi)非常(chang)低(di)，已經不能清(qing)晰分(fen)辨出缺(que)(que)陷信(xin)(xin)號(hao)(hao)。在(zai)(zai)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)值(zhi)(zhi)Ra＝3.2μm的(de)(de)(de)1號(hao)(hao)和(he)4號(hao)(hao)試塊上，缺(que)(que)陷檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)(bi)較(jiao)高，而平磨(mo)試塊上同等深度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)缺(que)(que)陷檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)(bi)最高。由(you)此(ci)可(ke)(ke)見，對(dui)于微小缺(que)(que)陷的(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)，表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)會(hui)直(zhi)接影響檢測(ce)(ce)信(xin)(xin)噪(zao)(zao)比(bi)(bi)(bi)，較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)值(zhi)(zhi)甚至會(hui)帶來漏(lou)判(pan)或誤判(pan)。換言之，在(zai)(zai)表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)(du)(du)確定的(de)(de)(de)情況下，試件上可(ke)(ke)檢測(ce)(ce)缺(que)(que)陷的(de)(de)(de)深度(du)(du)(du)(du)存在(zai)(zai)極限(xian)。
b. 表面粗糙度對(dui)不同深度裂紋信噪比的影響
保持試驗條件(jian)不變，探頭以相同速度掃查所有試塊，對不同深度的(de)裂紋進行(xing)漏磁檢測(ce)(ce)。各試塊得到的(de)缺(que)陷檢測(ce)(ce)信號如圖1-12所示(shi)。
分析檢(jian)測結果，根(gen)據式（1-1）得到在不同(tong)表(biao)面粗糙度(du)下(xia)信號(hao)信噪(zao)比關(guan)于裂紋深度(du)的關(guan)系曲線，如圖1-13和圖1-14所示。
分析(xi)圖1-13所(suo)示(shi)飛刀銑表(biao)面上不同深(shen)度缺(que)(que)(que)陷(xian)的(de)信(xin)噪比曲線，對(dui)于相(xiang)同的(de)表(biao)面粗(cu)糙(cao)度，隨著人工裂紋深(shen)度的(de)減小，缺(que)(que)(que)陷(xian)信(xin)號的(de)信(xin)噪比降(jiang)低。與(yu)(yu)此(ci)對(dui)應(ying)，如圖1-14所(suo)示(shi)，從立銑試(shi)(shi)塊的(de)測試(shi)(shi)結果可(ke)以(yi)看出，在一定表(biao)面粗(cu)糙(cao)度下，裂紋深(shen)度變化引起的(de)信(xin)噪比變化趨(qu)勢與(yu)(yu)飛刀銑試(shi)(shi)塊基(ji)本(ben)一致。但是，由于表(biao)面加工方式的(de)差異(yi)，兩組(zu)試(shi)(shi)塊表(biao)面峰(feng)谷(gu)不平的(de)分布規律并(bing)非完全一樣(yang)，從而導致采用不同加工方式形成的(de)相(xiang)同表(biao)面粗(cu)糙(cao)度表(biao)面上的(de)相(xiang)同深(shen)度缺(que)(que)(que)陷(xian)信(xin)噪比不同。
以上試驗結果表(biao)(biao)明，在(zai)表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙度(du)(du)確定的情況下，存在(zai)漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)裂紋極(ji)限(xian)深度(du)(du)。如果裂紋深度(du)(du)小于極(ji)限(xian)深度(du)(du)，受(shou)信噪比的影(ying)響，漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)靈敏(min)度(du)(du)將(jiang)降低。表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙度(du)(du)對(dui)漏(lou)磁(ci)檢(jian)測(ce)的影(ying)響機理(li)在(zai)于，表(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙度(du)(du)引起表(biao)(biao)面微觀峰谷不(bu)(bu)(bu)平輪(lun)廓，在(zai)兩種不(bu)(bu)(bu)同磁(ci)導率材料的分(fen)界(jie)面上，存在(zai)磁(ci)折射現象(xiang)，上凸和下凹的輪(lun)廓引起了(le)對(dui)應表(biao)(biao)面上方磁(ci)場的不(bu)(bu)(bu)同分(fen)布。
3. 粗糙表面的磁場分布
鐵磁性材料的(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁檢測(ce)機(ji)(ji)理(li)通常是基(ji)(ji)于下凹(ao)型缺(que)陷處的(de)(de)(de)(de)(de)磁場泄(xie)漏(lou)(lou)，而MFL（Magnetic Flux Leakage）完(wan)整的(de)(de)(de)(de)(de)檢測(ce)機(ji)(ji)理(li)并非(fei)傳統簡單的(de)(de)(de)(de)(de)描述，如(ru)“磁場泄(xie)漏(lou)(lou)”“產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)漏(lou)(lou)磁信號(hao)(hao)”這樣一個過(guo)程。如(ru)圖(tu)1-15所示，從磁折(zhe)射(she)(she)的(de)(de)(de)(de)(de)角度考慮，漏(lou)(lou)磁檢測(ce)中(zhong)(zhong)，缺(que)陷附近的(de)(de)(de)(de)(de)磁感(gan)應(ying)強度變化主要是界面(mian)(mian)(mian)兩側不(bu)同介質的(de)(de)(de)(de)(de)磁導(dao)率(lv)差異(yi)引起的(de)(de)(de)(de)(de)。不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)是由于界面(mian)(mian)(mian)處的(de)(de)(de)(de)(de)磁折(zhe)射(she)(she)現象，在凹(ao)型缺(que)陷如(ru)裂紋或(huo)腐(fu)蝕下產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)“正”的(de)(de)(de)(de)(de)MFL信號(hao)(hao)，而在小突(tu)起物存在的(de)(de)(de)(de)(de)地方，代表(biao)(biao)凸(tu)狀缺(que)陷則(ze)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)“負”的(de)(de)(de)(de)(de)MFL信號(hao)(hao)。基(ji)(ji)于這兩種(zhong)情況，前者導(dao)致上(shang)凸(tu)的(de)(de)(de)(de)(de)信號(hao)(hao)，后者產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)一個凹(ao)陷的(de)(de)(de)(de)(de)信號(hao)(hao)。由于這種(zhong)凹(ao)凸(tu)信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)存在，當感(gan)應(ying)單元沿(yan)著凹(ao)凸(tu)不(bu)平的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)進行掃(sao)查時，捕獲到的(de)(de)(de)(de)(de)信號(hao)(hao)必定影響最終檢測(ce)結果。在微尺(chi)度條件(jian)下，工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度模(mo)型中(zhong)(zhong)，緊密相連(lian)的(de)(de)(de)(de)(de)“上(shang)凸(tu)”部(bu)(bu)分和(he)“下凹(ao)”部(bu)(bu)分會產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)磁折(zhe)射(she)(she)效應(ying)，故采用(yong)這種(zhong)完(wan)整的(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)(lou)磁檢測(ce)機(ji)(ji)理(li)。
無論采用(yong)哪(na)種加(jia)工方法，受(shou)刀具與零件間(jian)(jian)的(de)(de)運動(dong)、摩擦，機床的(de)(de)振(zhen)動(dong)及零件的(de)(de)塑性變形等(deng)因(yin)素的(de)(de)影(ying)響，所獲得的(de)(de)工件表(biao)面都存(cun)在(zai)微觀的(de)(de)不平痕(hen)跡，即為表(biao)面粗糙(cao)度，通常波距小(xiao)于1mm。工件在(zai)使(shi)用(yong)過(guo)程(cheng)中的(de)(de)磨損、腐(fu)蝕介(jie)質的(de)(de)侵蝕消耗(hao)也(ye)會(hui)造成表(biao)面粗糙(cao)，這種較小(xiao)間(jian)(jian)距的(de)(de)
峰(feng)谷(gu)所組成(cheng)的微觀(guan)幾何輪(lun)廓構成(cheng)表(biao)面(mian)紋理粗(cu)糙度(du)，通常采(cai)用(yong)二(er)維表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)評定(ding)標準即(ji)能基本滿(man)足(zu)機加(jia)工零件要求，常用(yong)評定(ding)參數(shu)優先選用(yong)輪(lun)廓算術(shu)平(ping)均偏(pian)差Ra，能夠直(zhi)接反映(ying)工件表(biao)面(mian)峰(feng)谷(gu)不平(ping)的狀態。Ra的定(ding)義(yi)常通過圖1-16表(biao)示(shi)。
由Ra的(de)(de)定義可知，其主要反映(ying)工(gong)件(jian)表(biao)面(mian)這(zhe)種峰谷(gu)不(bu)平的(de)(de)狀態(tai)，在漏磁檢(jian)測中，這(zhe)種峰谷(gu)不(bu)平的(de)(de)狀態(tai)會引起(qi)工(gong)件(jian)表(biao)面(mian)磁場(chang)強度(du)的(de)(de)分(fen)布變化。Ra反映(ying)的(de)(de)是垂直于工(gong)件(jian)表(biao)面(mian)方(fang)向的(de)(de)高度(du)變化，漏磁檢(jian)測中的(de)(de)垂直于工(gong)件(jian)表(biao)面(mian)方(fang)向對應著缺陷(xian)的(de)(de)深度(du)方(fang)向，因此建立表(biao)面(mian)粗(cu)(cu)糙度(du)元的(de)(de)簡化模型可以分(fen)析工(gong)件(jian)粗(cu)(cu)糙表(biao)面(mian)的(de)(de)漏磁場(chang)分(fen)布規(gui)律(lv)。
通常采用規則的(de)三(san)角形(xing)(xing)鋸(ju)齒狀(zhuang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)來建立表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)模(mo)(mo)型，模(mo)(mo)擬原本(ben)不規則的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)分布(bu)，便于定(ding)性和定(ding)量分析。仿(fang)真模(mo)(mo)型的(de)特點是三(san)角形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)緊(jin)密(mi)相(xiang)連，其間(jian)(jian)(jian)無(wu)間(jian)(jian)(jian)隙(xi)。圖1-17所示(shi)為仿(fang)真分析獲得工件及周圍(wei)的(de)磁感(gan)(gan)應強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)分布(bu)云圖，表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)模(mo)(mo)型中(zhong)代(dai)表(biao)(biao)峰谷的(de)凹凸三(san)角形(xing)(xing)造成了(le)周圍(wei)空間(jian)(jian)(jian)磁感(gan)(gan)應強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)的(de)分布(bu)變(bian)化。A區域(yu)代(dai)表(biao)(biao)上(shang)凸三(san)角形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)，其上(shang)方(fang)C區域(yu)的(de)磁感(gan)(gan)應強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)弱于該(gai)區域(yu)周圍(wei)的(de)磁感(gan)(gan)應強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)；與此同時，緊(jin)鄰下(xia)凹三(san)角形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)(du)元(yuan)B的(de)上(shang)方(fang)也存在區域(yu)D，該(gai)區域(yu)的(de)磁感(gan)(gan)應強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)大(da)于其周圍(wei)空間(jian)(jian)(jian)的(de)磁感(gan)(gan)應強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)。
相對于(yu)基準面(mian)，提離0.15mm，拾(shi)取表面(mian)上方一段長度范(fan)圍內磁感應(ying)強(qiang)度水平分量(liang)變化(hua)曲線(xian)，如圖1-18所示(shi)。圖中(zhong)仿真信號呈現出(chu)上凸(tu)下凹的(de)變化(hua)規律，與圖1-17中(zhong)的(de)磁感應(ying)強(qiang)度變化(hua)規律一致。
當表(biao)面粗(cu)糙度(du)元的高度(du)與(yu)(yu)缺(que)陷(xian)深(shen)度(du)具有相同(tong)數量級(ji)時，表(biao)面粗(cu)糙度(du)元引(yin)起的磁(ci)場(chang)變化不(bu)可(ke)忽略。若缺(que)陷(xian)附(fu)近表(biao)面粗(cu)糙度(du)元產生(sheng)的漏磁(ci)場(chang)強度(du)與(yu)(yu)缺(que)陷(xian)產生(sheng)的漏磁(ci)場(chang)強度(du)相當時，將難(nan)以(yi)分辨出缺(que)陷(xian)信號。
在(zai)(zai)上述仿真(zhen)模型中，增加(jia)裂紋，仿真(zhen)計算得到缺陷所(suo)在(zai)(zai)區域上方(fang)的(de)(de)漏磁(ci)場磁(ci)感應(ying)強度(du)水平(ping)分(fen)量變(bian)化曲(qu)線(xian)如圖(tu)1-19所(suo)示。顯(xian)然，裂紋周圍的(de)(de)表面粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)元產生的(de)(de)磁(ci)噪(zao)聲(sheng)信(xin)(xin)(xin)號，降低了缺陷的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比。當然，在(zai)(zai)實際生產過程中，可根據圖(tu)1-19 粗(cu)糙(cao)(cao)表面裂紋上方(fang)漏磁(ci)場磁(ci)感應(ying)強度(du)水平(ping)分(fen)量分(fen)布表面粗(cu)糙(cao)(cao)度(du)引起的(de)(de)信(xin)(xin)(xin)號特征，采用合(he)適的(de)(de)濾波算法去除(chu)噪(zao)聲(sheng)信(xin)(xin)(xin)號，以提高信(xin)(xin)(xin)噪(zao)比。
