由加工(gong)方(fang)法留下的(de)(de)(de)表(biao)面痕跡(ji)的(de)(de)(de)深淺、疏密、形狀和紋(wen)(wen)理都有差異，生產(chan)運行中產(chan)生的(de)(de)(de)表(biao)面痕跡(ji)更是千奇百怪。這(zhe)些(xie)微觀(guan)的(de)(de)(de)和宏觀(guan)的(de)(de)(de)幾何不平整在漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)中均(jun)會引起磁(ci)(ci)場泄(xie)漏(lou)，由此(ci)帶來的(de)(de)(de)背景漏(lou)磁(ci)(ci)場信號(hao)將(jiang)會影響(xiang)微小(xiao)裂(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)(de)漏(lou)磁(ci)(ci)場測(ce)量，并進一步影響(xiang)到漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)的(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)極限。為(wei)此(ci)，研究表(biao)面粗糙(cao)度對裂(lie)紋(wen)(wen)漏(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)的(de)(de)(de)影響(xiang)具有重要意義。
1. 表(biao)面粗糙(cao)度試塊
采(cai)用Q235碳素結構鋼制作(zuo)試(shi)塊(kuai)，試(shi)塊(kuai)尺寸(cun)長300mm、寬100mm、厚14mm。首先，將三塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)利用飛刀進行銑削加(jia)(jia)工，如圖(tu)1-6所示(shi)，其表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度值從(cong)(cong)左到(dao)右依次為(wei)Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)1、2、3。然后，利用立銑加(jia)(jia)工另(ling)外三塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)，如圖(tu)1-7所示(shi)，其表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度值從(cong)(cong)左到(dao)右依次為(wei) Ra3.2μm、Ra6.3μm、Ra12.5μm，編號(hao)4、5、6。另(ling)外，再采(cai)用平磨加(jia)(jia)工一塊(kuai)試(shi)塊(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)，此種方式獲得的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)質(zhi)量較好，其表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度值為(wei)Ra0.2μm，編號(hao)7。所有試(shi)塊(kuai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)均刻有一組寬度為(wei)20μm，深度不同的(de)(de)(de)人工線狀缺陷，尺寸(cun)如圖(tu)1-8所示(shi)，從(cong)(cong)左到(dao)右深度依次為(wei)20μm、45μm、70μm，相鄰缺陷的(de)(de)(de)間(jian)距為(wei)70mm。
2. 表面(mian)粗糙度(du)對漏(lou)磁(ci)檢測信號(hao)的影響試驗
檢(jian)測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)主要由(you)(you)(you)磁化(hua)器(qi)、檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、信號(hao)采(cai)集系統、上位機等(deng)部分(fen)組(zu)成(cheng)(cheng)，如(ru)圖1-9所示。磁化(hua)器(qi)由(you)(you)(you)兩(liang)組(zu)線(xian)圈(quan)組(zu)成(cheng)(cheng)，檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝(zhuang)(zhuang)在(zai)(zai)兩(liang)組(zu)線(xian)圈(quan)中(zhong)(zhong)間，以保證檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)所在(zai)(zai)的位置(zhi)磁場分(fen)布均勻。探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)安裝(zhuang)(zhuang)在(zai)(zai)一T形(xing)支架上，T形(xing)支架固(gu)定在(zai)(zai)兩(liang)組(zu)線(xian)圈(quan)上方。鋼(gang)板在(zai)(zai)支撐輪的驅動下做勻速(su)運動，在(zai)(zai)移動過程中(zhong)(zhong)，試塊始終與(yu)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)保持緊(jin)密貼合。檢(jian)測(ce)探(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)將磁場信息轉換成(cheng)(cheng)電信號(hao)，并由(you)(you)(you)采(cai)集卡(ka)進(jin)行(xing)A-D轉換后(hou)進(jin)入計(ji)算機，由(you)(you)(you)上位機軟件進(jin)行(xing)顯(xian)示。
a. 表面粗糙度對同一深(shen)度裂(lie)紋信噪比的(de)影響
首先，利(li)用平磨試塊(kuai)7進行(xing)飽和磁(ci)化下(xia)的(de)(de)漏磁(ci)檢測試驗。試塊(kuai)的(de)(de)磁(ci)化方(fang)向垂(chui)直于人工線狀缺陷，試塊(kuai)以恒定的(de)(de)速(su)度沿磁(ci)化方(fang)向運動(dong)，檢測結果如圖1-10所(suo)示。
從圖中可以看出(chu)，由于平磨的表面質量較好，并(bing)未帶來明顯的噪聲信號(hao)(hao)。另外，信號(hao)(hao)峰值(zhi)與(yu)缺(que)陷的深度(du)成(cheng)正相關規律，當缺(que)陷深度(du)為20μm左右時(shi)，基本無法(fa)檢測出(chu)缺(que)陷信號(hao)(hao)。
保持試(shi)驗條件(jian)不變，獲得1～7號(hao)試(shi)塊上70μm缺陷的信噪比(bi)，如圖(tu)1-11所(suo)示，信噪比(bi)公式為 : SNR=20log(S/N) (1-1) ,式中(zhong)，S代表信(xin)號最大(da)幅(fu)值；N代表噪聲(sheng)最大(da)幅(fu)值。
分(fen)析圖1-11曲線變化規律可知，對于深度(du)為70μm的(de)(de)缺(que)(que)(que)陷，隨著(zhu)表(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙度(du)值的(de)(de)不斷增大，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信噪比(bi)逐(zhu)漸降低。其(qi)中，在(zai)表(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙度(du)值Ra=12.5μmm的(de)(de)3號(hao)(hao)(hao)(hao)和6號(hao)(hao)(hao)(hao)試(shi)(shi)塊(kuai)上(shang)(shang)，缺(que)(que)(que)陷檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信噪比(bi)非常(chang)低，已(yi)經不能(neng)清晰(xi)分(fen)辨出缺(que)(que)(que)陷信號(hao)(hao)(hao)(hao)。在(zai)表(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙度(du)值Ra＝3.2μm的(de)(de)1號(hao)(hao)(hao)(hao)和4號(hao)(hao)(hao)(hao)試(shi)(shi)塊(kuai)上(shang)(shang)，缺(que)(que)(que)陷檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信噪比(bi)較高，而平(ping)磨試(shi)(shi)塊(kuai)上(shang)(shang)同(tong)等深度(du)的(de)(de)缺(que)(que)(que)陷檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)信噪比(bi)最高。由此可見，對于微(wei)小缺(que)(que)(que)陷的(de)(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)，表(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙度(du)會直接(jie)影響檢(jian)(jian)(jian)測(ce)信噪比(bi)，較大的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙度(du)值甚至會帶來漏判(pan)或誤(wu)判(pan)。換言之，在(zai)表(biao)(biao)(biao)面粗(cu)(cu)糙度(du)確(que)定的(de)(de)情況下，試(shi)(shi)件上(shang)(shang)可檢(jian)(jian)(jian)測(ce)缺(que)(que)(que)陷的(de)(de)深度(du)存在(zai)極限。
b. 表面(mian)粗糙度對(dui)不同深度裂紋信(xin)噪比的影(ying)響(xiang)
保持(chi)試驗條(tiao)件不變(bian)，探頭以相同(tong)速度(du)掃(sao)查所(suo)有(you)試塊(kuai)，對不同(tong)深度(du)的(de)裂紋(wen)進(jin)行漏磁(ci)檢(jian)測。各試塊(kuai)得到(dao)的(de)缺陷檢(jian)測信號(hao)如圖1-12所(suo)示。
分(fen)析檢測結果，根據(ju)式（1-1）得到在不同表面粗糙(cao)度(du)下信(xin)號信(xin)噪(zao)比關(guan)于裂紋(wen)深度(du)的關(guan)系曲線，如(ru)圖(tu)1-13和圖(tu)1-14所示。
分析(xi)圖1-13所(suo)示(shi)飛刀銑表(biao)面(mian)(mian)(mian)上(shang)不(bu)同深(shen)度(du)缺陷(xian)的(de)(de)(de)信噪(zao)比曲線，對于相同的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)，隨著人工裂紋深(shen)度(du)的(de)(de)(de)減小，缺陷(xian)信號的(de)(de)(de)信噪(zao)比降低(di)。與此對應(ying)，如圖1-14所(suo)示(shi)，從(cong)立銑試(shi)塊的(de)(de)(de)測試(shi)結果可以(yi)看出，在一定表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)下，裂紋深(shen)度(du)變化引起(qi)的(de)(de)(de)信噪(zao)比變化趨勢與飛刀銑試(shi)塊基(ji)本一致(zhi)。但(dan)是，由于表(biao)面(mian)(mian)(mian)加(jia)工方(fang)式(shi)的(de)(de)(de)差異(yi)，兩組(zu)試(shi)塊表(biao)面(mian)(mian)(mian)峰谷不(bu)平的(de)(de)(de)分布規律并非完全一樣，從(cong)而導致(zhi)采(cai)用不(bu)同加(jia)工方(fang)式(shi)形成的(de)(de)(de)相同表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙(cao)度(du)表(biao)面(mian)(mian)(mian)上(shang)的(de)(de)(de)相同深(shen)度(du)缺陷(xian)信噪(zao)比不(bu)同。
以上試驗(yan)結(jie)果表(biao)(biao)(biao)明，在(zai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)確(que)定的情況下，存在(zai)漏(lou)磁(ci)檢測(ce)裂(lie)(lie)紋極限深(shen)度(du)。如果裂(lie)(lie)紋深(shen)度(du)小于極限深(shen)度(du)，受信噪(zao)比的影響，漏(lou)磁(ci)檢測(ce)靈敏度(du)將降低。表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)對漏(lou)磁(ci)檢測(ce)的影響機理在(zai)于，表(biao)(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)引(yin)起表(biao)(biao)(biao)面(mian)微觀峰谷(gu)不平(ping)輪廓，在(zai)兩種不同磁(ci)導(dao)率(lv)材料的分界面(mian)上，存在(zai)磁(ci)折(zhe)射現象(xiang)，上凸和(he)下凹(ao)的輪廓引(yin)起了(le)對應表(biao)(biao)(biao)面(mian)上方磁(ci)場的不同分布。
3. 粗糙表面的(de)磁(ci)場(chang)分布
鐵磁(ci)(ci)(ci)(ci)性材料的(de)(de)(de)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)機(ji)(ji)理通(tong)常(chang)是基于(yu)(yu)下(xia)凹(ao)(ao)(ao)型(xing)缺(que)陷處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場泄(xie)漏，而(er)MFL（Magnetic Flux Leakage）完整的(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)機(ji)(ji)理并非傳(chuan)統簡(jian)單的(de)(de)(de)描(miao)述，如(ru)“磁(ci)(ci)(ci)(ci)場泄(xie)漏”“產生(sheng)(sheng)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)信號(hao)”這(zhe)樣一(yi)(yi)個過程。如(ru)圖1-15所示，從磁(ci)(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)的(de)(de)(de)角度(du)考慮，漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)中，缺(que)陷附近的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)感應強度(du)變化主要是界(jie)面(mian)兩側不(bu)同(tong)介質的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)導率差(cha)異引起(qi)的(de)(de)(de)。不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)是由于(yu)(yu)界(jie)面(mian)處的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)現象，在(zai)(zai)(zai)凹(ao)(ao)(ao)型(xing)缺(que)陷如(ru)裂紋或腐蝕(shi)下(xia)產生(sheng)(sheng)“正”的(de)(de)(de)MFL信號(hao)，而(er)在(zai)(zai)(zai)小突起(qi)物(wu)存在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)地方，代表凸(tu)(tu)狀缺(que)陷則(ze)產生(sheng)(sheng)“負”的(de)(de)(de)MFL信號(hao)。基于(yu)(yu)這(zhe)兩種(zhong)(zhong)情況，前者(zhe)導致上(shang)凸(tu)(tu)的(de)(de)(de)信號(hao)，后者(zhe)產生(sheng)(sheng)一(yi)(yi)個凹(ao)(ao)(ao)陷的(de)(de)(de)信號(hao)。由于(yu)(yu)這(zhe)種(zhong)(zhong)凹(ao)(ao)(ao)凸(tu)(tu)信號(hao)的(de)(de)(de)存在(zai)(zai)(zai)，當感應單元沿著凹(ao)(ao)(ao)凸(tu)(tu)不(bu)平(ping)的(de)(de)(de)表面(mian)進行掃查時，捕(bu)獲到的(de)(de)(de)信號(hao)必定影響最(zui)終檢(jian)測(ce)結果。在(zai)(zai)(zai)微尺(chi)度(du)條(tiao)件(jian)(jian)下(xia)，工件(jian)(jian)表面(mian)的(de)(de)(de)表面(mian)粗糙(cao)度(du)模型(xing)中，緊密相連的(de)(de)(de)“上(shang)凸(tu)(tu)”部分和“下(xia)凹(ao)(ao)(ao)”部分會產生(sheng)(sheng)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)折(zhe)射(she)效應，故采用這(zhe)種(zhong)(zhong)完整的(de)(de)(de)漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)機(ji)(ji)理。
無論(lun)采(cai)用哪種加工(gong)方法，受刀具(ju)與(yu)零(ling)件間(jian)的(de)(de)運動、摩擦，機床的(de)(de)振動及零(ling)件的(de)(de)塑性(xing)變形(xing)等因素的(de)(de)影響，所獲(huo)得(de)的(de)(de)工(gong)件表(biao)面(mian)(mian)都存在微觀的(de)(de)不平痕跡，即為表(biao)面(mian)(mian)粗糙度(du)，通常波(bo)距小(xiao)于1mm。工(gong)件在使用過(guo)程中的(de)(de)磨損、腐(fu)蝕介質的(de)(de)侵蝕消(xiao)耗也(ye)會造(zao)成表(biao)面(mian)(mian)粗糙，這(zhe)種較(jiao)小(xiao)間(jian)距的(de)(de)
峰谷所(suo)組(zu)成的微觀幾何(he)輪廓(kuo)構成表(biao)面(mian)紋理粗糙度，通常采(cai)用二維表(biao)面(mian)粗糙度評定(ding)標準即能(neng)基本滿足(zu)機加工零件要求，常用評定(ding)參數優先選用輪廓(kuo)算(suan)術平(ping)均偏差Ra，能(neng)夠直接反映工件表(biao)面(mian)峰谷不平(ping)的狀態。Ra的定(ding)義常通過圖1-16表(biao)示。
由Ra的(de)(de)定義(yi)可知(zhi)，其主要反映(ying)(ying)工(gong)件(jian)(jian)(jian)表(biao)面(mian)這種(zhong)峰(feng)谷(gu)不平(ping)的(de)(de)狀(zhuang)態，在漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)中，這種(zhong)峰(feng)谷(gu)不平(ping)的(de)(de)狀(zhuang)態會引起工(gong)件(jian)(jian)(jian)表(biao)面(mian)磁(ci)(ci)場強度的(de)(de)分(fen)布變化(hua)。Ra反映(ying)(ying)的(de)(de)是垂直(zhi)于工(gong)件(jian)(jian)(jian)表(biao)面(mian)方向(xiang)的(de)(de)高度變化(hua)，漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)中的(de)(de)垂直(zhi)于工(gong)件(jian)(jian)(jian)表(biao)面(mian)方向(xiang)對應著缺陷的(de)(de)深度方向(xiang)，因此建立表(biao)面(mian)粗(cu)糙度元的(de)(de)簡化(hua)模型(xing)可以分(fen)析(xi)工(gong)件(jian)(jian)(jian)粗(cu)糙表(biao)面(mian)的(de)(de)漏(lou)(lou)磁(ci)(ci)場分(fen)布規律。
通常(chang)采用規則的(de)(de)三(san)(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)鋸(ju)齒狀(zhuang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)來建立表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模型(xing)，模擬(ni)原本不規則的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)分(fen)布，便于(yu)定性和(he)定量分(fen)析。仿真模型(xing)的(de)(de)特點是三(san)(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)緊密相連(lian)，其(qi)間(jian)無間(jian)隙。圖(tu)1-17所示為仿真分(fen)析獲得工件及周(zhou)圍(wei)的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)分(fen)布云圖(tu)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)模型(xing)中代表(biao)(biao)峰谷的(de)(de)凹凸(tu)三(san)(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)造成了(le)周(zhou)圍(wei)空間(jian)磁(ci)感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)分(fen)布變化。A區域(yu)代表(biao)(biao)上凸(tu)三(san)(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)，其(qi)上方(fang)C區域(yu)的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)弱于(yu)該區域(yu)周(zhou)圍(wei)的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)；與此(ci)同時，緊鄰下凹三(san)(san)(san)角(jiao)形(xing)(xing)表(biao)(biao)面(mian)(mian)粗糙(cao)(cao)度(du)(du)(du)(du)(du)元(yuan)(yuan)B的(de)(de)上方(fang)也存在(zai)區域(yu)D，該區域(yu)的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)大于(yu)其(qi)周(zhou)圍(wei)空間(jian)的(de)(de)磁(ci)感應(ying)(ying)(ying)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)(du)。
相對于基(ji)準面，提離0.15mm，拾取表面上方(fang)一(yi)段長度(du)范圍內磁感(gan)應(ying)強度(du)水平分量變化(hua)曲線，如圖(tu)1-18所示。圖(tu)中(zhong)仿(fang)真信(xin)號呈現出上凸(tu)下凹的(de)變化(hua)規(gui)律，與(yu)圖(tu)1-17中(zhong)的(de)磁感(gan)應(ying)強度(du)變化(hua)規(gui)律一(yi)致。
當(dang)表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)元的(de)高度(du)(du)與缺(que)(que)陷(xian)(xian)深度(du)(du)具有(you)相同數量級(ji)時(shi)(shi)，表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)元引起(qi)的(de)磁場(chang)變化不可(ke)忽(hu)略(lve)。若缺(que)(que)陷(xian)(xian)附近表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度(du)(du)元產(chan)生的(de)漏(lou)磁場(chang)強(qiang)度(du)(du)與缺(que)(que)陷(xian)(xian)產(chan)生的(de)漏(lou)磁場(chang)強(qiang)度(du)(du)相當(dang)時(shi)(shi)，將(jiang)難以分辨(bian)出缺(que)(que)陷(xian)(xian)信號(hao)。
在上(shang)(shang)述仿真模型中，增加裂紋，仿真計(ji)算(suan)得到(dao)缺陷所在區域上(shang)(shang)方(fang)的(de)(de)(de)(de)漏磁場(chang)磁感應強(qiang)度水平分(fen)量變化曲線(xian)如圖(tu)1-19所示。顯然(ran)(ran)，裂紋周(zhou)圍的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度元(yuan)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)磁噪聲(sheng)信號，降低了缺陷的(de)(de)(de)(de)信噪比(bi)。當然(ran)(ran)，在實際(ji)生(sheng)產過程中，可根據(ju)圖(tu)1-19 粗(cu)糙表(biao)(biao)面(mian)裂紋上(shang)(shang)方(fang)漏磁場(chang)磁感應強(qiang)度水平分(fen)量分(fen)布表(biao)(biao)面(mian)粗(cu)糙度引起(qi)的(de)(de)(de)(de)信號特(te)征，采用合適(shi)的(de)(de)(de)(de)濾波算(suan)法去(qu)除噪聲(sheng)信號，以提(ti)高(gao)信噪比(bi)。
